JP6568268B2 - Ni-based cathode material for rechargeable lithium-ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、特定の組成物を有する、高Ni−超過「NMC」カソード材料に関する。「NMC」とは、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムを意味する。高Ni−超過NMC粉末は、好ましくは、充電式リチウムイオン電池におけるカソード活性材料として使用することが可能である。本発明のカソード材料を含有する電池は、高い可逆容量、高温保存時の向上した熱安定性、及び高い充電電圧にてサイクルさせた場合の良好な長期サイクル安定性などの、優れた性能を示す。 The present invention relates to a high Ni-excess “NMC” cathode material having a specific composition. “NMC” means nickel cobalt lithium manganate. High Ni-excess NMC powder can preferably be used as the cathode active material in rechargeable lithium ion batteries. The battery containing the cathode material of the present invention exhibits excellent performance such as high reversible capacity, improved thermal stability during high temperature storage, and good long-term cycle stability when cycled at a high charge voltage. .
リチウムイオン電池技術は、現在では、電子モビリティ及び固定動力装置両方のための、最も有望なエネルギー蓄電手段である。以前はカソード材料として最も一般的に使用されていたLiCoO2(ドープされている、又はされていない−以後、「LCO」と称される)は、良好な性能を有しはするが、高価である。なお、コバルト資源が徐々に枯渇してきている故に、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物又はニッケルコバルトマンガン酸リチウム(以後、それぞれ「NCA」及び「NMC」と称される−両方ともドープされ得ることに留意されたい)は、LCOに取って代わる、見込みのある候補となってきた。これらの材料は、高可逆容量、比較的高い容積エネルギー密度、良好なレート容量、長期のサイクル安定性、及び低コストを有する。 Lithium ion battery technology is currently the most promising energy storage means for both electronic mobility and fixed power devices. LiCoO 2 (previously doped or not—hereafter referred to as “LCO”), which was most commonly used as a cathode material, has good performance but is expensive. is there. It should be noted that lithium nickel cobalt aluminum oxide or nickel cobalt lithium manganate (hereinafter referred to as “NCA” and “NMC”, respectively—both can be doped—because the cobalt resources are gradually depleted. Has become a promising candidate to replace LCO. These materials have high reversible capacity, relatively high volumetric energy density, good rate capacity, long-term cycle stability, and low cost.
NMCカソード材料は、一般式Li1+a[Niz(Ni0.5Mn0.5)yCox]1−aO2(式中、以下で定義されるように、「z」はいわゆるNi−超過を表わし、NiはLiNi0.5Mn0.5O2における100%の二価(Ni2+)であり、またNiはLiNiO2における100%の三価(Ni3+)である)に対応する、固体状態のLiCoO2、LiNi0.5Mn0.5O2及びLiNiO2として理解され得る。4.3Vにおいて、LiCoO2及びLiNi0.5Mn0.5O2の公称容量は約160mAh/gであり、対して、LiNiO2の公称容量は220mAh/gである。典型的なNMC系材料は、LiM’O2、(ここでM’=Nix’Mny’Coz’である)として表され、またM’=Ni1/3Mn1/3Co1/3を伴う「111」材料、M’=Ni0.4Mn0.4Co0.2を伴う「442」、M’=Ni0.5Mn0.3Co0.2を伴う「532」、又はM’=Ni0.6Mn0.2Co0.2を伴う「622」と称される場合もある。M’は、Al、Ca、Ti、Mg、W、Zr、B、及びSiなどの「A」によってドープされ得、式Li1−a((Niz(Ni0.5Mn0.5)yCox)1−kAk)1+aO2をもたらす。 The NMC cathode material has the general formula Li 1 + a [Ni z (Ni 0.5 Mn 0.5 ) y Co x ] 1-a O 2 (wherein “z” is a so-called Ni− Represents Ni and corresponds to 100% divalent (Ni 2+ ) in LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 and Ni is 100% trivalent (Ni 3+ ) in LiNiO 2 May be understood as LiCoO 2 in solid state, LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 and LiNiO 2 . At 4.3 V, the nominal capacity of LiCoO 2 and LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 is about 160 mAh / g, whereas the nominal capacity of LiNiO 2 is 220 mAh / g. A typical NMC-based material is represented as LiM′O 2 , where M ′ = Ni x ′ Mn y ′ Co z ′ , and M ′ = Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1 / “111” material with 3 ; “442” with M ′ = Ni 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 ; “532” with M ′ = Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 ; Or it may be referred to as “622” with M ′ = Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 . M ′ may be doped by “A” such as Al, Ca, Ti, Mg, W, Zr, B, and Si, and may be of the formula Li 1-a ((Ni z (Ni 0.5 Mn 0.5 ) y Co x ) 1-k A k ) 1 + a O 2 .
(ドープされていない)NMCカソード可逆容量は、これらの容量から概算することができる。例えば、NMC 622は、0.2LiCoO2+0.4LiNi0.5Mn0.5O2+0.4LiNiO2として理解することができる。期待容量は、0.2×160+0.4×160+0.4×220=184mAh/gに等しい。「Ni−超過」により、容量が増大する。例えば、Ni−超過はNMC 622では0.4である。リチウム化学量論をLi/(Ni+Mn+Co)=1.0と見なす場合、次に、「Ni−超過」は3−価数Niの関数である。図1は、Ni−超過の関数としての期待容量を示す。ここで、x−軸はNi−超過(「Z」)であり、またy−軸は計算された可逆容量である。 The (undoped) NMC cathode reversible capacity can be estimated from these capacities. For example, NMC 622 can be understood as 0.2LiCoO 2 + 0.4LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 + 0.4LiNiO 2. The expected capacity is equal to 0.2 × 160 + 0.4 × 160 + 0.4 × 220 = 184 mAh / g. “Ni-excess” increases capacity. For example, Ni-excess is 0.4 for NMC 622. Considering the lithium stoichiometry as Li / (Ni + Mn + Co) = 1.0, then “Ni-excess” is a function of the 3-valence Ni. FIG. 1 shows the expected capacity as a function of Ni-excess. Here, the x-axis is Ni-excess (“Z”) and the y-axis is the calculated reversible capacity.
更に、Ni及びMnの価格は、Coのものよりもかなり低い。従って、Coの代わりにNi及びMnを使用することによって、送達されるエネルギー単位当たりのカソードのコストが非常に低減される。大規模な適用のための、‘2020カソード材料の価格競争コンペティション、及び2014年5月27日開催のOREBA1.0会議において告知された、kWh’当たりの価格の観点における前途有望なLFP部門最高パフォーマーによれば、LCOのカソード容量当たりの金属価格は35$/kWhであるが、一方でNMC111に関しては22$/kWhである。Niの価格はMnの価格より高い故に、NMCのNi含有量が増大するのでカソード容量当たりの金属の価格もまた増大するが、LCOの価格には達しない。従って、高エネルギー密度及び低い処理コスト(LCOとの対照による)を伴うNi−超過NMCは、今日の電池市場においてより好ましい。 Furthermore, the price of Ni and Mn is much lower than that of Co. Thus, by using Ni and Mn instead of Co, the cost of the cathode per energy unit delivered is greatly reduced. Promising LFP sector best performer in terms of price per kWh announced at the '2020 Cathode Price Competitive Competition for large-scale applications and the OREBA 1.0 meeting on May 27, 2014 According to LCO, the metal price per cathode capacity of LCO is 35 $ / kWh, while for NMC111 it is 22 $ / kWh. Since the price of Ni is higher than the price of Mn, the price of metal per cathode capacity also increases as the Ni content of NMC increases, but does not reach the price of LCO. Therefore, Ni-excess NMC with high energy density and low processing cost (in contrast to LCO) is more preferred in today's battery market.
NMCの大規模製造は、調製が容易でありかつ高品質のカソード材料を生成する、ということを要求する。カソード材料におけるNi−超過が増大するので(これは、容量の観点から所望される)、製造がより困難となる。一例として、NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2である)のような非常に高いNi−過剰カソード材料を空気中で調製することができない、又はリチウム源としてLi2CO3を使用して調製することができない。リチウム前駆体としてLi2CO3が使用される場合、分解のためにカーボネートが必要とされ、かつCO2が気相へと放出される。しかし、非常に高いNi−超過カソード材料のCO2均衡分圧は、非常に小さい。従って、たとえ純酸素においてであっても、CO2の気相輸送は反応速度論を制限し、かつCo3の分解が非常にゆっくりと発生する。なお、非常に高いNi−超過カソードは、低い熱力学的安定性を有する。完全に反応し、かつ完全にリチウム化した非常に高いNi−超過カソードは、正常な空気にて加熱された場合に、更に分解する。空気のCO2均衡分圧は十分に高く、これにより、CO2が結晶構造からリチウムを抽出してLi2CO3を形成する。従って、非常に高いNi−超過カソードの製造の間、CO2の遊離ガス、典型的には酸素が必要とされる。これは、より高い製造コストの原因となる。更に、リチウム源としてLi2CO3の使用が不可能である故に、より安価なLi2CO3の代わりに、製造コストを更に増大させるLi2O、LiOH・H2O又はLiOH同様のリチウム前駆体が適用されることが必要である。なお、遷移金属前駆体(例えば、混合遷移金属水酸化物)は、カーボネートを有さないことが必要である。 The large scale manufacture of NMC requires that it be easy to prepare and produce high quality cathode materials. As the Ni-excess in the cathode material increases (which is desirable from a capacity standpoint), it becomes more difficult to manufacture. As an example, very high Ni-excess cathode materials such as NCA (which is LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 ) cannot be prepared in air or Li 2 CO as a lithium source Cannot be prepared using 3 . When Li 2 CO 3 is used as the lithium precursor, carbonate is required for decomposition and CO 2 is released into the gas phase. However, the CO 2 equilibrium partial pressure of very high Ni-excess cathode material is very small. Thus, even in pure oxygen, gas phase transport of CO 2 limits the reaction kinetics and decomposition of Co 3 occurs very slowly. Note that very high Ni-excess cathodes have low thermodynamic stability. A very high Ni-excess cathode that is fully reacted and fully lithiated further decomposes when heated in normal air. The CO 2 equilibrium partial pressure of air is high enough so that CO 2 extracts lithium from the crystal structure to form Li 2 CO 3 . Thus, during the production of very high Ni-excess cathodes, CO 2 free gas, typically oxygen, is required. This causes higher manufacturing costs. Furthermore, because it is impossible to use the Li 2 CO 3 as a lithium source, instead of the more expensive Li 2 CO 3, Li 2 O to further increase the manufacturing cost, LiOH · H 2 O or LiOH like lithium precursor The body needs to be applied. The transition metal precursor (for example, mixed transition metal hydroxide) needs to have no carbonate.
最終的に、水酸化リチウム(LiOH・H2O又はLiOH)を使用した場合、水酸化リチウムの低い融点が、考慮される項目である。Li2CO3が溶融する前に反応する傾向にあるのに対して、水酸化リチウムは反応する前に溶融する傾向がある。これは、生成物の不均質性、溶融したLiOHを伴うセラミックサガーの浸透などと同様の、量産プロセス中の多くの不必要な影響の原因となる。なお、高Ni−超過NMCの製造中、厳格に実容量を限定するLi部位内へとNiイオンが移動する傾向にあり、よって適切な化学量論を有することが困難である。本問題はまた、挿入機構の可逆性にも影響を及ぼし、容量減退をもたらす。NCA同様の非常に高いNi−超過カソード材料の増大した容量は、かなりの製造コストに達する、ということが要約できる。 Finally, when lithium hydroxide (LiOH.H 2 O or LiOH) is used, the low melting point of lithium hydroxide is an item to be considered. Li 2 CO 3 tends to react before melting, whereas lithium hydroxide tends to melt before reacting. This accounts for many unwanted effects during the mass production process, such as product inhomogeneities, ceramic sagar penetration with molten LiOH, and the like. It should be noted that during the production of high Ni-excess NMC, Ni ions tend to migrate into Li sites that strictly limit the actual capacity, and thus it is difficult to have an appropriate stoichiometry. This problem also affects the reversibility of the insertion mechanism, leading to capacity loss. It can be summarized that the increased capacity of very high Ni-excess cathode material, similar to NCA, reaches considerable manufacturing costs.
非常に高いNi−超過カソードの別の問題は、可溶性塩基の含有量である。「可溶性塩基」の概念は、例えば、国際公開第2012−107313号に明瞭に記載されている(Li2CO3及びLiOH同様の表面不純物を意味する可溶性塩基)。Ni−超過カソード材料におけるLiの低い熱力学的安定性故に、残留するカーボネートが非常にゆっくりと分解する、又は空気中に存在するCO2が容易に吸着して、カソードの表面上にLi2CO3を形成する。更に、水分又は湿気の存在下において、Liはバルクから容易に抽出され、LiOHの形成をもたらす。従って、好ましくない「可溶性塩基」は、NCA同様の非常に高いNi−超過カソードの表面上で、容易に発生する。 Another problem with very high Ni-excess cathodes is the content of soluble base. The concept of “soluble base” is clearly described, for example, in WO 2012-107313 (soluble base meaning surface impurities similar to Li 2 CO 3 and LiOH). Due to the low thermodynamic stability of Li in the Ni-excess cathode material, the remaining carbonate decomposes very slowly, or the CO 2 present in the air is easily adsorbed and Li 2 CO on the surface of the cathode. 3 is formed. Furthermore, in the presence of moisture or moisture, Li is easily extracted from the bulk, resulting in the formation of LiOH. Thus, undesirable “soluble bases” are readily generated on the surface of very high Ni-excess cathodes similar to NCA.
非常に高いNi−超過の場合には、多くのカーボネート不純物源が存在する可能性がある。具体的には、可溶性塩基は、生産において遷移金属源として使用される混合遷移金属水酸化物から生じ得る。混合遷移金属水酸化物は、通常、遷移金属硫酸塩と水酸化ナトリウム(NaOH)などの工業グレードの塩基との共沈によって得られる。従って、水酸化物はCo3 2−不純物を含有することができる。リチウム源を用いて焼結する間、残留物Co3 2−はリチウムと反応してLi2CO3を生じさせる。焼結の間にLiM’O2結晶子が成長するので、Li2CO3塩基がこれらの結晶子の表面上に蓄積される。従って、高いNi−超過NMCにおける高温での焼結後に、NMC 622同様のカーボネート組成物が最終生成物の表面上に残る。この塩基は水に溶解し、また従って、可溶性塩基含有量は、米国特許第7,648,693号に記載されているように、pH滴定と呼ばれる技術によって測定することができる。 In the case of a very high Ni-excess, there can be many sources of carbonate impurities. Specifically, the soluble base can come from a mixed transition metal hydroxide that is used as a transition metal source in production. Mixed transition metal hydroxides are usually obtained by co-precipitation of transition metal sulfate and an industrial grade base such as sodium hydroxide (NaOH). Thus, the hydroxide can contain Co 3 2− impurities. During sintering using a lithium source, the residue Co 3 2− reacts with lithium to yield Li 2 CO 3 . As LiM′O 2 crystallites grow during sintering, Li 2 CO 3 base accumulates on the surface of these crystallites. Thus, after sintering at high temperature in high Ni-excess NMC, a carbonate composition similar to NMC 622 remains on the surface of the final product. This base dissolves in water, and therefore the soluble base content can be measured by a technique called pH titration, as described in US Pat. No. 7,648,693.
それらがリチウムイオン電池における不十分なサイクル安定性の原因である故に、可溶性塩基、特に残留物Li2CO3は主要な懸念材料である。また、前駆体として使用される材料が空気に対して敏感である故に、大規模調製中に非常に高いNi−超過を維持できるかどうかは、明らかではない。従って、増大する温度にて、CO2を有しない酸化ガス(典型的にはO2)において非常に高いNi−超過カソード材料の調製を実施して、可溶性塩基含有量を減少させる。LiOH・H2Oはまた、Li2CO3の代わりにリチウム源としても使用され、可溶性塩基含有量を減少させる。LiOH・H2Oを使用して高いNi−超過NMCを調整するための典型的なプロセスは、例えば米国特許第2015/0010824号にて適用されている。低いLi2CO3不純物を伴う、リチウム源としてのLiOH・H2Oを、目的とする組成物にて混合遷移金属水酸化物とブレンドし、かつ大気雰囲気下にて高温で焼結する。本プロセスでは、高いNi−超過NMC最終生成物(NMC 622と同様)の塩基含有量が、更に減少する。 Soluble bases, particularly the residue Li 2 CO 3, are a major concern because they are responsible for inadequate cycle stability in lithium ion batteries. Also, it is not clear whether a very high Ni-excess can be maintained during large scale preparations because the materials used as precursors are sensitive to air. Therefore, at increasing temperatures, the preparation of very high Ni-excess cathode material in an oxidizing gas (typically O 2 ) without CO 2 is performed to reduce the soluble base content. LiOH.H 2 O is also used as a lithium source instead of Li 2 CO 3 to reduce the soluble base content. A typical process for adjusting high Ni-excess NMC using LiOH.H 2 O is applied, for example, in US Pat. No. 2015/0010824. LiOH.H 2 O as a lithium source with low Li 2 CO 3 impurities is blended with the mixed transition metal hydroxide in the target composition and sintered at high temperature in an air atmosphere. In this process, the base content of high Ni-excess NMC end product (similar to NMC 622) is further reduced.
NMCにおけるNi−超過により高いエネルギー密度を得る、2つの主要な傾向が存在する。1つの傾向は、正常な充電電圧にて高容量を得るために、Ni−超過を非常に高い値まで増大させることである。第2の傾向は、より少ないNi−超過にて高容量を得るために、電荷容量を増大させることである。NCAは、例えば、全てのNiが3−価数である故に、約0.8の非常に高いNi−超過を有する。NC91(LiNi0.9Co0.1O2)では、Ni−超過はちょうど0.9である。これらのカソード材料は、たとえ比較的低い電荷容量であっても非常に高い容量を有する。一例として、−NC91は、対極としてリチウムを用いたコイン電池試験において、4.3Vにて220mAh/gほど高い容量を有する。前述のように、このようなカソード材料を適切な価格にて量産プロセスで生成することは、困難である。更に、不十分な安全性の問題が観察された。 There are two main trends of obtaining high energy density due to Ni-excess in NMC. One trend is to increase the Ni-excess to a very high value in order to obtain high capacity at normal charging voltage. The second trend is to increase the charge capacity in order to obtain high capacity with less Ni-excess. NCA, for example, has a very high Ni-excess of about 0.8 because all Ni is 3-valent. In NC91 (LiNi 0.9 Co 0.1 O 2 ), the Ni-excess is just 0.9. These cathode materials have very high capacities, even with relatively low charge capacities. As an example, -NC91 has a capacity as high as 220 mAh / g at 4.3 V in a coin battery test using lithium as a counter electrode. As described above, it is difficult to produce such a cathode material in a mass production process at an appropriate price. In addition, insufficient safety problems have been observed.
充電した電池の安全性の問題は、一般的な懸念材料である。安全性は、熱暴走と称するプロセスに関係している。発熱反応故に、電池は昇温して電池内の反応速度が増大し、熱暴走により電池の爆発が引き起こされる。熱暴走は、ほとんどの場合、電解質の燃焼により引き起こされる。電池が完全に充電されており、かつカソードが脱リチウム化した状態にある場合、得られたLi1−xM’O2における「x」の値は高い。これらの高度に脱リチウム化したカソードは、電解質と接触した場合に非常に危険である。脱リチウム化したカソードは酸化剤であり、かつ還元剤として作用する電解質と反応することができる。本反応は非常に発熱性であり、かつ熱暴走を引き起こす。究極的な場合では、電池が爆発し得る。単純な方法では、脱リチウム化したカソードから得られる酸素を使用して電解質が燃焼すると、説明することができる。一度、電池にて特定の温度に達していると、カソードが分解して電解質を燃焼させる酸素を送達する。反応後−二価の状態でNiが安定しており、かつ高いNi−超過が存在するので−ほとんどの遷移金属は二原子価である。概略的に−カソードの各モルは1モルの酸素を送達して電解質を燃焼させることができる:NiO2+電解質→NiO+燃焼生成物(H2O、CO2)。 The safety issue of charged batteries is a common concern. Safety is related to a process called thermal runaway. Due to the exothermic reaction, the battery is heated to increase the reaction rate in the battery, and thermal runaway causes the battery to explode. Thermal runaway is most often caused by electrolyte combustion. When the battery is fully charged and the cathode is in a delithiated state, the value of “x” in the resulting Li 1-x M′O 2 is high. These highly delithiated cathodes are very dangerous when in contact with electrolyte. The delithiated cathode is an oxidizing agent and can react with an electrolyte that acts as a reducing agent. This reaction is very exothermic and causes thermal runaway. In the ultimate case, the battery can explode. A simple method can be explained as the electrolyte burns using oxygen obtained from a delithiated cathode. Once the battery reaches a certain temperature, the cathode breaks down and delivers oxygen that burns the electrolyte. After the reaction-Ni is stable in the divalent state and because there is a high Ni-excess-most transition metals are divalent. In general-each mole of the cathode can deliver 1 mole of oxygen to burn the electrolyte: NiO 2 + electrolyte → NiO + combustion products (H 2 O, CO 2 ).
高いエネルギー密度を得るその他の傾向は、Ni−超過をより中間値で設定するが、高電荷容量を適用することである。Ni−超過に関する典型的な値は、約0.4〜約0.6の範囲で変動する。この領域を、「高Ni−超過」と称する。4.2又は4.3Vの高Ni−超過NMCにおける可逆容量は、「非常に高い」Ni−超過化合物(Ni−超過>0.6を伴う)の可逆容量未満である。非常に高いNi−超過カソード(fx.NCA)同様の、同一の充電状態(即ち、脱リチウム化したカソードにおいて残留するLi)を得るために、高Ni−超過カソード(fx.NMC622)を伴う電池は、より高い電圧へと充電される必要がある。類似の充電状態は、例えば、NCAに関しては4.2V、またNMC622を使用して4.35Vにて得ることができる。従って、「高Ni−超過」NMCの容量を向上させるために、より高い充電電圧が適用される。 Another trend to obtain a high energy density is to set the Ni-excess at a more intermediate value but apply a higher charge capacity. Typical values for Ni-excess range from about 0.4 to about 0.6. This region is referred to as “high Ni-excess”. The reversible capacity at 4.2 or 4.3 V high Ni-excess NMC is less than the reversible capacity of “very high” Ni-excess compounds (with Ni-excess> 0.6). A battery with a high Ni-excess cathode (fx. NMC 622) to obtain the same state of charge (ie, Li remaining in the delithiated cathode), similar to a very high Ni-excess cathode (fx. NCA) Needs to be charged to a higher voltage. A similar state of charge can be obtained, for example, at 4.2V for NCA and 4.35V using NMC622. Therefore, a higher charging voltage is applied to improve the capacity of the “high Ni-excess” NMC.
高充電電圧においてでさえも、得られた脱リチウム化した高Ni−超過カソードは、前述の脱リチウム化した非常に高いNi−超過カソードよりも、より低い電圧にて安全である。Ni系カソードが酸素燃焼反応中にNiOを形成する傾向にあるのに対して、Ni−M’は脱リチウム化プロセス中により安定したM’3O4化合物を形成する傾向にある。これらの化合物はより高い最終酸素化学量論を有し、このように、より少ない酸素にて電解質を燃焼させることが可能である。Ni−超過を伴わないカソードに関する概略実施例は、LiMn0.5Ni0.5O2→Mn0.5Ni0.5O2+電解質→0.5NiMnO3+燃焼生成物(H2O、CO2)である。この場合、燃焼反応後に50%のみの遷移金属が二価である故に、0.5の酸素が電解質を燃焼させるのに有効である。これは、上述の非常に高いNi−超過カソードの場合とは異なり、ほぼ1モルが有効である。 Even at high charge voltages, the resulting delithiated high Ni-excess cathode is safer at lower voltages than the previously described delithiated very high Ni-excess cathode. Ni-based cathodes tend to form NiO during the oxyfuel combustion reaction, whereas Ni-M ′ tends to form more stable M ′ 3 O 4 compounds during the delithiation process. These compounds have a higher final oxygen stoichiometry, and thus it is possible to burn the electrolyte with less oxygen. A schematic example for a cathode without Ni-excess is: LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 → Mn 0.5 Ni 0.5 O 2 + electrolyte → 0.5 NiMnO 3 + combustion products (H 2 O, CO 2 ). In this case, since only 50% of the transition metal is divalent after the combustion reaction, 0.5 oxygen is effective to burn the electrolyte. This is about 1 mole effective, unlike the very high Ni-excess cathode described above.
原則では、依然としてより低いNi−超過カソードへと第2の傾向を継続させることができる。小さいNi−超過のみを伴うカソード材料を、依然としてより高い電圧へと充電することができる。一例として、NMC532を約4.45Vへと充電する、又はNMC442を約4.55Vへと充電して、類似の容量を得ることができる。この場合−より低いNi含有量故に、脱リチウム化したカソードの安全性が更に向上すると予測され、また製造プロセスも簡略化される。しかし、現在の電解質がこれらの非常に高い充電電圧にて良好に作用しないので、本アプローチは実行可能ではなく、また従って、不十分なサイクル安定性が観察される。 In principle, the second trend can continue to a still lower Ni-excess cathode. Cathode material with only a small Ni-excess can still be charged to a higher voltage. As an example, NMC 532 can be charged to about 4.45V, or NMC 442 can be charged to about 4.55V to obtain a similar capacity. In this case—because of the lower Ni content, the safety of the delithiated cathode is expected to be further improved and the manufacturing process is simplified. However, this approach is not feasible since current electrolytes do not work well at these very high charging voltages, and therefore poor cycle stability is observed.
本発明は、非常に高い(>0.6)Ni−超過は有さないが、高いNi−超過(0.4〜0.6)のみを有するカソード材料に、より高い充電電圧を適用する、第2の傾向を意味する。Ni含有量及び充電電圧の両方が増大するので、良好な安全性及び安価な調製プロセスを得ることが困難である。先行技術から、このように、Liイオン電池における首尾の良い調製及び適用に関する多くの問題を、高Ni−超過材料が有していることが、知られている。従って、許容できる高Ni超過材料を作製するために、最適化されたNMC組成物及び高度の電池性能を有し、高可逆容量が良好なサイクル安定性及び安全性と共に得られる、このようなカソード材料が必要である。 The present invention applies a higher charging voltage to cathode materials that do not have a very high (> 0.6) Ni-excess but only a high Ni-excess (0.4-0.6). It means the second tendency. Since both the Ni content and the charging voltage increase, it is difficult to obtain good safety and an inexpensive preparation process. From the prior art it is thus known that high Ni-excess materials have many problems related to the successful preparation and application in Li-ion batteries. Thus, such a cathode having an optimized NMC composition and a high degree of battery performance to produce an acceptable high Ni excess material, and a high reversible capacity with good cycle stability and safety. Material is needed.
第1の態様から考察するに、本発明は、一般式Li1+a((NiZ(Ni0.5Mn0.5)yCox)1−kAk)1−aO2(Aは微量の添加不純物であり、−0.025≦a≦0.025、0.18≦x≦0.22、0.42≦z≦0.52、1.075<z/y<1.625、x+y+z=1及びk≦0.01である)を有するリチウム遷移金属系酸化物粉末からなる、リチウムイオン電池のための正極材料を提供することができる。組み合わせ可能な異なる実施例は、次の特徴を提供し得る。
−リチウム遷移金属系酸化物粉末は、≦1000ppmの炭素含有量を有し、
−リチウム遷移金属系酸化物粉末は、≦400ppmの炭素含有量を有し、
−リチウム遷移金属系酸化物粉末は、0.05〜1.0重量%のイオウ含有量を有し、
−リチウム遷移金属系酸化物粉末は、0.1〜0.3重量%のイオウ含有量を有し、
−粉末は、0.15〜5重量%のLiNaSO4二次位相を更に含み、またここで、粉末は、リチウム遷移金属系酸化物を含むコア及びLiNaSO4二次位相を含むコーティングからなってよい。二次位相は、1重量%以下のAl2O3、LiAlO2、LiF、Li3PO4、MgO及びLi2TiO3のうちいずれか1つ以上を更に含んでもよい。
−微量の添加不純物Aは、Al、Ca、W、B、Si、Ti、Mg及びZrのうちいずれか1つ以上である。
−粉末は、リチウム遷移金属系酸化物、並びにリチウム及び遷移金属を含む表面層を含むコアからなり、表面層は外側及び内側の界面により範囲を定められ、内側界面はコアに接触しており、Aは少なくとも1つの微量の添加不純物でありかつAlを含み、コアは0.3〜3モル%のAl含有量を有し、また表面層は、内側界面におけるコアのAl含有量から外側界面における少なくとも10モル%へと増大するAl含有量を有し、Al含有量はXPSにより決定される。本実施形態では、表面層は、コアのNi、Co、及びMn、Al2O3、並びにLiF、CaO、TiO2、MgO、WO3、ZrO2、Cr2O3及びV2O5からなる群のうちのいずれか1種以上の化合物の完全混合物からなってよい。
Considering from the first aspect, the present invention has the general formula Li 1 + a ((Ni Z (Ni 0.5 Mn 0.5 ) y Co x ) 1-k A k ) 1-a O 2 (A is a trace amount). -0.025 ≦ a ≦ 0.025, 0.18 ≦ x ≦ 0.22, 0.42 ≦ z ≦ 0.52, 1.075 <z / y <1.625, x + y + z = 1 and k ≦ 0.01), a positive electrode material for a lithium ion battery can be provided. Different embodiments that can be combined may provide the following features.
The lithium transition metal based oxide powder has a carbon content of ≦ 1000 ppm;
The lithium transition metal oxide powder has a carbon content of ≦ 400 ppm;
The lithium transition metal oxide powder has a sulfur content of 0.05 to 1.0% by weight;
The lithium transition metal oxide powder has a sulfur content of 0.1 to 0.3% by weight;
The powder further comprises 0.15 to 5 % by weight of LiNaSO 4 secondary phase, wherein the powder may consist of a core comprising a lithium transition metal-based oxide and a coating comprising LiNaSO 4 secondary phase . The secondary phase may further include any one or more of Al 2 O 3 , LiAlO 2 , LiF, Li 3 PO 4 , MgO and Li 2 TiO 3 of 1 wt% or less.
-The trace amount addition impurity A is any one or more of Al, Ca, W, B, Si, Ti, Mg, and Zr.
The powder consists of a core comprising a lithium transition metal-based oxide and a surface layer comprising lithium and a transition metal, the surface layer being delimited by outer and inner interfaces, the inner interface being in contact with the core; A is at least one minor additive impurity and contains Al, the core has an Al content of 0.3 to 3 mol%, and the surface layer is from the Al content of the core at the inner interface to the outer interface. It has an Al content that increases to at least 10 mol%, the Al content being determined by XPS. In this embodiment, the surface layer is made of core Ni, Co, and Mn, Al 2 O 3 , and LiF, CaO, TiO 2 , MgO, WO 3 , ZrO 2 , Cr 2 O 3, and V 2 O 5. It may consist of a complete mixture of any one or more compounds of the group.
本発明は、優れた高容量、長いサイクル安定性、及び熱安定性などの高度の電池性能をもたらす、制限された範囲での最適化された組成物を有する高Ni−超過NMC材料について、開示している。これらのカソード材料を、優位性のあるプロセスにより生成することができる。 The present invention discloses a high Ni-excess NMC material with a limited range of optimized compositions that provide high battery performance such as excellent high capacity, long cycle stability, and thermal stability. doing. These cathode materials can be produced by an advantageous process.
本発明は、充電式リチウム電池におけるカソード材料として使用される、リチウム遷移金属酸化物に焦点をあてている。カソード材料は、Ni、Mn、及びCoから選択される1つ以上の遷移金属であるM’を伴うLiM’O2である、NMC組成物を有するが、M’はまた、その他の元素によってドープされてもよい。本発明のカソード材料は、最適な性能の達成を可能にする組成物の特定の種類を有する。 The present invention focuses on lithium transition metal oxides used as cathode materials in rechargeable lithium batteries. The cathode material has an NMC composition that is LiM′O 2 with M ′ being one or more transition metals selected from Ni, Mn, and Co, but M ′ is also doped with other elements. May be. The cathode material of the present invention has a particular type of composition that allows achieving optimal performance.
中でも、良好なサイクル安定性及び安全性と共に、高可逆容量が達成される。Coの容量が0.18〜0.22の範囲であり、かつNi及びMnが狭い範囲内で変化する場合に、向上した性能が得られる。このNi−Mnの範囲は、互いに関連する2つの関係(Ni−Mn及びNi/Mn)によって表すことができる。1+2*z/yにより表されるNi/Mnのモル比はまた、「Ionics,20,1361〜1366(2014)」に記載されているように、容量及びサイクル安定性などの性能に影響を与え得る。Ni/Mn比率の増大に伴って総放電容量が増大するが、比率が大きくなり過ぎる場合に、電極材料の安定性が低下する。他方では、Ni含有量に対してMn含有量が増大する場合、容量は減少する。Ni含有量がNi超過「z」(=NiマイナスMn)の両方を増大させるので、Mnに対するNiの化学量論比も同様に増大する。Ni−超過が0.42〜0.52の範囲で変化する場合、またMnに対するNiの化学量論比が3.15〜4.25の範囲で変化する場合、向上した性能が得られる。図2は、三元Ni−Mn−Co組成物三角形の範囲にある、本特定の組成物を示す。好ましい化学量論領域は、(1)0.615/0.195/0.189、(2)0.622/0.198/0.180、(3)0.664/0.156/0.18、(4)0.631/0.149/0.22、(5)0.60/0.18/0.22の、Ni−Mn−Co端を伴う五角形内である。 Above all, high reversible capacity is achieved with good cycle stability and safety. Improved performance is obtained when the Co capacity is in the range of 0.18 to 0.22 and Ni and Mn vary within a narrow range. This range of Ni—Mn can be represented by two relationships (Ni—Mn and Ni / Mn) that are related to each other. The molar ratio of Ni / Mn expressed by 1 + 2 * z / y also affects performance such as capacity and cycle stability, as described in “Ionics, 20, 1361 to 1366 (2014)”. obtain. Although the total discharge capacity increases with an increase in the Ni / Mn ratio, the stability of the electrode material decreases when the ratio becomes too large. On the other hand, when the Mn content increases with respect to the Ni content, the capacity decreases. As the Ni content increases both the Ni excess “z” (= Ni minus Mn), the stoichiometric ratio of Ni to Mn increases as well. Improved performance is obtained when the Ni-excess varies in the range of 0.42 to 0.52 and when the stoichiometric ratio of Ni to Mn varies in the range of 3.15 to 4.25. FIG. 2 shows this particular composition in the range of the ternary Ni—Mn—Co composition triangle. Preferred stoichiometric regions are (1) 0.615 / 0.195 / 0.189, (2) 0.622 / 0.198 / 0.180, (3) 0.664 / 0.156 / 0. 18, (4) 0.631 / 0.149 / 0.22, (5) 0.60 / 0.18 / 0.22, in a pentagon with Ni-Mn-Co ends.
通常、本発明にて開示されたカソード材料は、混合金属水酸化物M’(OH)2、オキシ水酸化物M’OOH、又は中間体M’Oa(OH)2−a(M’=Ni、Mn、及びCoを伴い、かつ0<a<1)同様の混合遷移金属前駆体を使用した複数の焼結法により、製造される。以下の説明では、用語「M’−水酸化物」は、これらの異なる前駆体組成物を包含する。M’−水酸化物は、典型的には沈殿プロセスにより調製される。酸性溶液を含有する金属の供給材料(複数可)を、撹拌反応器内へと供給する。同時に、塩基の供給材料(複数可)を、反応器へと追加する。なお、粒子の成長をより良好に制御するために、アンモニア又はシュウ酸塩などの添加剤を、反応器内へと供給する。通常使用される金属酸は遷移金属サルフェート溶液であり、また典型的な塩基はNaOHである。従って、沈殿反応「M’SO4+2NaOH→M’(OH)2+Na2SO4」が生じる。多くの沈殿装置設計が可能である。連続攪拌タンク反応器(CSTR)プロセスは、供給溶液を供給し、かつ継続的に過剰流量を集水する両方の連続プロセスを提供する。 Usually, the cathode material disclosed in the present invention is a mixed metal hydroxide M ′ (OH) 2 , an oxyhydroxide M′OOH, or an intermediate M′O a (OH) 2 -a (M ′ = Manufactured by a plurality of sintering methods with Ni, Mn, and Co, and 0 <a <1) using the same mixed transition metal precursor. In the following description, the term “M′-hydroxide” encompasses these different precursor compositions. The M′-hydroxide is typically prepared by a precipitation process. Metal feed material (s) containing acidic solution are fed into the stirred reactor. At the same time, base feed (s) is added to the reactor. In order to better control particle growth, an additive such as ammonia or oxalate is fed into the reactor. A commonly used metal acid is a transition metal sulfate solution, and a typical base is NaOH. Accordingly, the precipitation reaction “M′SO 4 + 2NaOH → M ′ (OH) 2 + Na 2 SO 4 ” occurs. Many precipitation equipment designs are possible. The continuous stirred tank reactor (CSTR) process provides both continuous processes that feed the feed solution and continuously collect excess flow.
あるいは、設計は、反応器が充填された後に沈殿が停止するバッチプロセスであり得る。液体(沈澱又は濾過後)が取り除かれるが、プロセス中に固体の大部分が反応器内に残留する故に、反応器内でより多くの沈殿物が蓄積するバッチプロセスと沈殿濃縮プロセスとの組み合わせでも可能である。本方法では、反応器へのM’SO4及びNaOHの供給を、より長時間継続させることができる。 Alternatively, the design can be a batch process where precipitation stops after the reactor is filled. Liquid (after precipitation or filtration) is removed, but a combination of batch and precipitation concentration processes where more of the solid accumulates in the reactor because most of the solids remain in the reactor during the process. Is possible. In this method, the supply of M′SO 4 and NaOH to the reactor can be continued for a longer time.
RPM撹拌器同様の沈殿反応状態の間、タンクのpH、流量及び流量率、滞留時間及び温度などは良好に維持されて、高品質の混合遷移金属水酸化物生成物を得るために制御される。沈殿後に、得られた混合遷移金属水酸化物を濾過し、洗浄して乾燥させる。このように、混合遷移金属水酸化物が得られる。混合遷移前駆体は、以下の焼結プロセスのための前駆体となる。 During precipitation reaction conditions similar to RPM stirrers, tank pH, flow rate and flow rate, residence time and temperature etc. are well maintained and controlled to obtain high quality mixed transition metal hydroxide products. . After precipitation, the resulting mixed transition metal hydroxide is filtered, washed and dried. Thus, a mixed transition metal hydroxide is obtained. The mixed transition precursor becomes the precursor for the following sintering process.
混合遷移金属を沈殿方法により調製してもよいので、沈殿したM’−水酸化物中の目的の遷移金属組成物M’は0.18〜0.22モルのCo含有量を有し、かつ0.42〜0.52のNi−超過(=Ni−Mn)を含有する。なお、Mnに対するNiの比率は3.15〜4.25である。遷移金属組成物は、このように、Niz(Ni0.5Mn0.5)yCoxとして記載することができ、ここで0.42≦z≦0.52、0.18≦x≦0.22及び3.15<(2*z/y)+1<4.25である。 Since the mixed transition metal may be prepared by a precipitation method, the desired transition metal composition M ′ in the precipitated M′-hydroxide has a Co content of 0.18 to 0.22 mol, and It contains 0.42-0.52 Ni-excess (= Ni-Mn). Note that the ratio of Ni to Mn is 3.15 to 4.25. The transition metal composition can thus be described as Ni z (Ni 0.5 Mn 0.5 ) y Co x , where 0.42 ≦ z ≦ 0.52, 0.18 ≦ x ≦ 0.22 and 3.15 <(2 * z / y) +1 <4.25.
本発明のカソード材料を、費用効果の高い焼結プロセスにより調製することができる。酸素含有ガスにて、焼結を実施する。純酸素同様のCO2自由大気にて調製されることを必要とする、非常に高いNi−超過カソード材料を伴うカソード材料に対して、本発明のカソード材料は空気中で焼結させることができ、これは、調製プロセスのコストを減少させることを可能にする。典型的には、カソード材料は複数の焼結アプローチにより調製される。再焼結が適用される場合、第1焼結プロセスは、1未満のLi/M’化学量論比を有する生成物を送達する。また第2焼結プロセスは、1の数に近いLi/M’の化学量論比を有する、完全にリチウム化した生成物を送達する。このようなプロセスが、国際公開第2017−042654号に開示されている。 The cathode material of the present invention can be prepared by a cost effective sintering process. Sintering is performed with an oxygen-containing gas. In contrast to cathode materials with very high Ni-excess cathode materials that need to be prepared in a CO 2 free atmosphere similar to pure oxygen, the cathode materials of the present invention can be sintered in air. This makes it possible to reduce the cost of the preparation process. Typically, the cathode material is prepared by multiple sintering approaches. When re-sintering is applied, the first sintering process delivers a product having a Li / M ′ stoichiometry of less than 1. The second sintering process also delivers a fully lithiated product with a Li / M ′ stoichiometry close to one. Such a process is disclosed in WO 2017/042654.
第1焼結工程では、混合遷移金属前駆体はリチウム源とブレンドされる。典型的には、LiOH・H2O又はLi2CO3はリチウム源として使用される。Ni−超過が高すぎる場合にLi2CO3を使用することができない、という点を除いて、Li2CO3は可能であり、かつ調製コストを減少させることができる。酸素含有ガス(例えば、空気の流れで)にてブレンドを焼結し、リチウム欠損中間材料を得る。典型的な焼結温度は650℃より高いが、950℃未満である。中間材料は、1の数未満のLi/M’の化学量論比、典型的には0.7〜0.95の範囲を有する。 In the first sintering step, the mixed transition metal precursor is blended with a lithium source. Typically, LiOH.H 2 O or Li 2 CO 3 is used as the lithium source. Ni- excess can not be used Li 2 CO 3 if too high, except that, Li 2 CO 3 are possible, and can reduce the cost of preparation. Sinter the blend with an oxygen-containing gas (eg, with a stream of air) to obtain a lithium-deficient intermediate material. Typical sintering temperatures are higher than 650 ° C but lower than 950 ° C. The intermediate material has a Li / M ′ stoichiometric ratio of less than one, typically in the range of 0.7 to 0.95.
第2焼結プロセスでは、最終のLi/M’目的組成物を得るために、第1焼結工程からのリチウム欠損中間体がLiOH・H2Oと混合される。目的の比率は、化学量論Li/M’=1.00の値に近い。酸素含有ガス(例えば、空気の流れ又は酸素で)にてブレンドを焼結し、最終カソード材料を得る。典型的な焼結温度は800℃より高いが、880℃未満である。典型的には、焼結後に後処理工程(ミリング、ふるい分け、等)が続く。2段階の焼結プロセスを適用する代わりに、その他の好適なプロセスによりカソード材料を調製することもできる。従来の単一工程焼結が、代替として可能である。単一焼結を適用する場合、典型的なLi源はLiOH・H2Oである。 In the second sintering process, the lithium-deficient intermediate from the first sintering step is mixed with LiOH.H 2 O to obtain the final Li / M ′ target composition. The target ratio is close to the value of stoichiometric Li / M ′ = 1.00. Sinter the blend with an oxygen-containing gas (eg, with an air stream or oxygen) to obtain the final cathode material. Typical sintering temperatures are above 800 ° C but below 880 ° C. Typically, post-processing steps (milling, sieving, etc.) follow after sintering. Instead of applying a two-step sintering process, the cathode material can also be prepared by other suitable processes. Conventional single-step sintering is possible as an alternative. When applying single sintering, a typical Li source is LiOH.H 2 O.
得られたカソード材料は、良好な結晶構造を有し、また低い可溶性塩基を有する。特に可溶性カーボネート塩基の含有量が低い。典型的な炭素含有量(可溶性カーボネートとして存在している)に関する値は、150ppm〜約1000ppmの範囲で変動するが、好ましくは400ppmを超過しない。炭素含有量が高すぎる場合、より小さい容量が得られ、かつサイクル安定性が低下する。更に、バルジング特性が低下する。バルジングは、充電したパウチ電池が熱に曝された場合に、電池内でガスが放出される故に電池容積が増大する、不必要な特性である。最終的に、カソードはイオウを含有してよい。少なくとも0.05質量%、好ましくは少なくとも0.1質量%のイオウが存在してよい。イオウの存在は、サイクル安定性を向上させて、可逆容量を増大させる。結果は、イオウが多結晶カソード材料における粒界を最適化するのに重要である、ということを示している。イオウ含有量が幾分少ない場合、次に粒界が非常に狭く、かつ可逆容量が低下する。イオウ含有量は1質量%を超えるべきではなく、さもなければ可逆容量が失われてしまう。 The resulting cathode material has a good crystal structure and a low soluble base. In particular, the content of soluble carbonate base is low. Values for typical carbon content (present as soluble carbonate) range from 150 ppm to about 1000 ppm, but preferably do not exceed 400 ppm. If the carbon content is too high, a smaller capacity is obtained and cycle stability is reduced. Furthermore, the bulging characteristics are degraded. Bulging is an unnecessary property that increases the battery volume when a charged pouch battery is exposed to heat, due to the release of gas within the battery. Finally, the cathode may contain sulfur. At least 0.05% by weight, preferably at least 0.1% by weight of sulfur may be present. The presence of sulfur improves cycle stability and increases reversible capacity. The results show that sulfur is important for optimizing grain boundaries in polycrystalline cathode materials. If the sulfur content is somewhat low, then the grain boundaries are very narrow and the reversible capacity is reduced. The sulfur content should not exceed 1% by weight or the reversible capacity will be lost.
第2焼結プロセス後に、得られた材料を充電式リチウムイオン電池におけるカソード材料として使用することができる。本特定の組成物を伴うカソードの性能を表面処理により更に高めることができ、それによって、性能を低下させることなく充電電圧を増大させることが可能であり、従って、高エネルギー密度を得ることができる。表面処理は、サイクル中又は充電中に電池にて生じる望ましくない反応に対して表面を安定させ、かつ延長されたサイクリング中の粒子の亀裂(これが、望ましくない副反応を強める新たな表面を誘発し得る故に)を防止するのに有効であり得る。充電−放電中のカソードにおけるLi含有量の変化は、ひずみを生じさせる体積変化を引き起こす。表面コーティングは、表面におけるひずみを減少させることに寄与し得、かつクラック核生成を遅らせる。その機構は、「Journal of The Electrochemical Society,164,A6116−A6122(2017)」に記載されている。典型的な表面処理アプローチでは、全ての表面又は表面部分は、好適な化学物質によって被覆される。現時点では、Al及びZr系化合物が普及しているが、多くの化学物質を表面処理に使用することができ、それらの幾つかは「Nature Communications,7,13779(2016)」に列挙されている。化学物質の適用は、湿式又は乾式処理により行われる。通常、表面処理に関する化学物質の量は少なく、1質量%以下の範囲である。本発明では、Al及び/若しくはLiF、又はLiNaSO4を表面に適用する、表面コーティング法が使用されてきた。これらの方法は、米国特許第6,753,111号、国際公開第2016−116862号、及び欧州特許第3111494(A1)号に記載されてきた。化学物質を含有する、Mg、B、P、等を適用するその他の表面処理方法が知られている。 After the second sintering process, the resulting material can be used as a cathode material in a rechargeable lithium ion battery. The performance of the cathode with this particular composition can be further enhanced by surface treatment, thereby increasing the charging voltage without degrading the performance and thus obtaining a high energy density. . Surface treatment stabilizes the surface against undesired reactions that occur in the battery during cycling or charging, and prolongs the cracking of particles during cycling (this induces new surfaces that enhance undesired side reactions). Can be effective to prevent). Changes in the Li content at the cathode during charge-discharge cause volume changes that cause distortion. The surface coating can contribute to reducing strain at the surface and delays crack nucleation. The mechanism is described in “Journal of The Electrochemical Society, 164, A6116-A6122 (2017)”. In a typical surface treatment approach, all surfaces or surface portions are coated with a suitable chemical. At present, Al and Zr-based compounds are widespread, but many chemical substances can be used for surface treatment, and some of them are listed in “Nature Communications, 7, 13779 (2016)”. . The chemical substance is applied by wet or dry processing. Usually, the amount of the chemical substance related to the surface treatment is small and is in the range of 1% by mass or less. In the present invention, surface coating methods have been used in which Al and / or LiF or LiNaSO 4 is applied to the surface. These methods have been described in US Pat. No. 6,753,111, International Publication No. 2016-116862, and European Patent No. 311494 (A1). Other surface treatment methods using chemical substances, such as Mg, B, P, etc. are known.
Ni−超過が0.52よりも高い場合、表面処理の性能を向上させる効果はより少ない。Ni−超過が0.42未満の場合、次に、表面処理は性能を向上させるが、容量は不十分となる。表面処理の組み合わせ及び適切なNi−超過は、共同作用する。通常、化学物質を表面へと適用した後に、熱処理が続く。典型的な熱処理温度は、
(a)100〜250℃:プロセスが、溶融又は乾燥による古典的なコーティングプロセスである場合、
(b)300〜450℃:表面反応が所望されるが、バルクが反応するべきではない場合、及び
(c)600〜800℃:特定の固体状態の拡散又はバルク反応を伴う場合。
When the Ni-excess is higher than 0.52, the effect of improving the surface treatment performance is less. If Ni-excess is less than 0.42, then surface treatment improves performance, but capacity is insufficient. The combination of surface treatment and proper Ni-excess work together. Usually, a chemical is applied to the surface followed by a heat treatment. Typical heat treatment temperature is
(A) 100-250 ° C: when the process is a classic coating process by melting or drying
(B) 300-450 ° C .: surface reaction is desired but bulk should not react; and (c) 600-800 ° C .: with specific solid state diffusion or bulk reaction.
本発明の実施例は(1)Al系コーティングを適用してよく、続いて(c)の範囲の温度にて熱処理を適用してよい、又は(b)の温度範囲を使用した(2)Al及びLiF系コーティング若しくはAl及びLiNaSO4系コーティングを適用してよい。 Embodiments of the present invention may (1) apply an Al-based coating followed by heat treatment at a temperature in the range of (c) or use a temperature range of (b) (2) Al And LiF based coatings or Al and LiNaSO 4 based coatings may be applied.
本発明では、狭い組成範囲のみが、高容量と同時に良好なサイクル安定性及び安全性を得ることを可能にする、ということが観察されている。組成物が最適な領域から逸脱している場合、次にサイクル安定性の低下が観察される。最適な領域内にて、比較的高い充電電圧を適用することにより、十分な高容量が達成され得る。この狭い最適化された領域内のカソード材料は、大型電池及び4.15V超える充電電圧を適用する電池での使用に特に好適である。本カソード材料は、典型的には、高温で4.3Vあるいは4.35Vにて良好な性能を示す。また、最適化された組成物を伴うカソード材料は、NMC 811又はNC 91などの非常に高いNi−超過NMCと比較して、大いに良好な安全特性及びサイクル安定性を示す。 In the present invention, it has been observed that only a narrow composition range makes it possible to obtain good cycle stability and safety at the same time as high capacity. If the composition deviates from the optimal region, then a decrease in cycle stability is observed. By applying a relatively high charging voltage in the optimal region, a sufficiently high capacity can be achieved. Cathode materials within this narrow optimized region are particularly suitable for use in large batteries and batteries that apply charging voltages greater than 4.15V. The cathode material typically shows good performance at 4.3V or 4.35V at high temperatures. Cathode materials with optimized compositions also exhibit much better safety properties and cycle stability compared to very high Ni-excess NMC such as NMC 811 or NC 91.
組成物が上記の値からわずかに逸脱しているだけの場合であっても、性能は悪化する。Ni−超過がより低い場合、同様に一定電圧での容量も減少し、またより高い充電電圧を適用して目的の容量を達成する必要がある。この電圧が高すぎるので、不十分なサイクル安定性が観察される。Co含有量がより高い場合、カソードのコストが増大し、かつ一定電圧での容量が減少する。Co含有量がより低い場合、サイクリング中の構造的不安定性が観察される。構造的不安定性は、基準と比較して悪化したサイクル安定性により、それ自体を証明する。非常に高いNi−超過カソードに関してより典型的であるこのような不安定性が、より少ないCo含有量を伴う中間高Ni−超過カソードに関して観察される、ということは、驚くべきことである。著者は、カソード材料において良好な性能を達成するために、正確なCo濃度の制御が非常に重要である、と結論づけている。Ni−超過がより高い場合、調製における困難が増大する。また、一定電圧から得られる容量は予測されるものよりも低く、また目的の容量を得るためにより高い電圧にて充電される場合、得られる性能はより低い。特に、安全性は低下し、かつ目的の組成物と比較してサイクル安定性はより低い。 Even if the composition is only slightly deviating from the above values, performance is degraded. If the Ni-excess is lower, the capacity at constant voltage will also decrease, and a higher charging voltage must be applied to achieve the desired capacity. Since this voltage is too high, insufficient cycle stability is observed. Higher Co content increases the cost of the cathode and decreases the capacity at constant voltage. When the Co content is lower, structural instabilities during cycling are observed. Structural instability proves itself due to the worse cycle stability compared to the baseline. It is surprising that such instabilities that are more typical for very high Ni-excess cathodes are observed for intermediate high Ni-excess cathodes with lower Co content. The authors conclude that accurate Co concentration control is very important to achieve good performance in cathode materials. If the Ni-excess is higher, the difficulty in preparation increases. Also, the capacity obtained from a constant voltage is lower than expected, and the performance obtained is lower when charged at a higher voltage to obtain the desired capacity. In particular, safety is reduced and cycle stability is lower compared to the target composition.
カソード材料の金属に対するリチウムの比率は、1の数に近い(ゼロに近い「a」を伴うLi1+aM’1−aO2)。リチウムの濃度がより高い場合、次に、可溶性塩基の含有量は増大し、かつ容量は低下する。リチウムの濃度がより少ない場合、容量は低下する。著者は、約0.95〜1.05の範囲内での、遷移金属に対するリチウムの化学量論比の制御が良好な性能を得るために非常に重要である、と結論づけている。 The ratio of lithium to metal of the cathode material is close to the number of 1 (Li 1 + a M ′ 1-a O 2 with “a” close to zero). If the concentration of lithium is higher, then the content of soluble base increases and the capacity decreases. If the concentration of lithium is lower, the capacity decreases. The authors conclude that controlling the stoichiometric ratio of lithium to transition metal within the range of about 0.95 to 1.05 is very important to obtain good performance.
結論は以下の通りである。組成物が最適な組成物と異なる場合、全体の性能が悪化する。詳細には:
−Coが0.22より多い場合、容量が低下する
−Coが0.18未満の場合、サイクル安定性が低下する
−Ni−超過が0.42未満の場合、容量が不十分である
−Ni−超過が0.52より多い場合、サイクル安定性及び安全性特性が低下する
−Ni/Mn(=(z+(0.5*y))/0.5*y)の比率が4.25より大きい場合、サイクル安定性は低下する
−Ni/Mn比率が3.15未満の場合、容量が低下する
−Li/M’の化学量論量が1.05を著しく超過する場合、容量が低下し、かつ
可溶性塩基の含有量が多くなり過ぎ、また
−Li/M’の化学量論量がより少なく0.95未満の場合、容量及びサイクル安定性が低下する。
The conclusion is as follows. If the composition is different from the optimal composition, the overall performance is degraded. In detail:
-When Co is more than 0.22, the capacity decreases.-When Co is less than 0.18, the cycle stability decreases.-When Ni-excess is less than 0.42, the capacity is insufficient. -Ni -If the excess is greater than 0.52, the cycle stability and safety characteristics are degraded.-The ratio of Ni / Mn (= (z + (0.5 * y)) / 0.5 * y) is from 4.25. When large, cycle stability decreases-When Ni / Mn ratio is less than 3.15, capacity decreases-When Li / M 'stoichiometry significantly exceeds 1.05, capacity decreases And if the content of soluble base becomes too high and the stoichiometric amount of -Li / M 'is less than 0.95, the capacity and cycle stability are lowered.
分析方法の説明
A)コイン電池試験
a)コイン電池の作製
正極の作製に関しては、電気化学的活性材料、コンダクタ(スーパーP、Timcal)、結合剤(KF#9305、Kureha)−重量比90:5:5の配合−を溶媒(NMP、三菱)中にて含有するスラリーを、高速ホモジェナイザーにより調製する。均質化したスラリーを、230μmのギャップを伴うドクターブレードコータを用いて、アルミニウム箔の片面上に塗り広げる。スラリーでコーティングしたホイルをオーブン内で120℃にて乾燥させて、次にカレンダー工具を使用して加圧する。次に、真空オーブン中で再び乾燥させて、電極フィルム内の残留溶媒を完全に取り除く。コイン電池は、アルゴンを充填させたグローブボックス中で組み立てられる。セパレータ(Celgard 2320)を、正極と、負極としてのリチウム箔との間に配置する。EC/DMC(1:2)中の1M LiPF6を電解質として使用し、かつセパレータと電極との間に滴下する。次に、コイン電池を完全に密封して、電解質の漏れを防止する。
Description of analytical methods A) Coin battery test a) Preparation of coin battery For the preparation of the positive electrode, electrochemically active material, conductor (Super P, Timcal), binder (KF # 9305, Kureha) -weight ratio 90: 5 A slurry containing 5:-in a solvent (NMP, Mitsubishi) is prepared with a high-speed homogenizer. The homogenized slurry is spread on one side of the aluminum foil using a doctor blade coater with a 230 μm gap. The slurry-coated foil is dried in an oven at 120 ° C. and then pressed using a calendar tool. Next, it is dried again in a vacuum oven to completely remove the residual solvent in the electrode film. The coin cell is assembled in a glove box filled with argon. A separator (Celgard 2320) is placed between the positive electrode and the lithium foil as the negative electrode. 1M LiPF 6 in EC / DMC (1: 2) is used as the electrolyte and is dropped between the separator and the electrode. Next, the coin battery is completely sealed to prevent electrolyte leakage.
b)試験方法1
方法1は、従来の「一定のカットオフ電圧」試験である。本発明における従来のコイン電池試験は、表1に示した手順に従う。各電池を、Toscat−3100コンピュータ制御ガルバノスタティックサイクリングステーション(galvanostatic cycling station)(東洋製)を用いて、25℃でサイクルする。本コイン電池試験手順は、160mA/gの1C電流定義を使用し、かつ以下のように2つの部分で構成される。
b) Test method 1
Method 1 is a conventional “constant cut-off voltage” test. The conventional coin battery test in the present invention follows the procedure shown in Table 1. Each cell is cycled at 25 ° C. using a Toscat-3100 computer controlled galvanostatic cycling station (Toyo). The coin cell test procedure uses a 1 mA current definition of 160 mA / g and consists of two parts as follows:
パートIは、4.3〜3.0V/Liの金属窓範囲での0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C及び3Cにおけるレート性能評価である。初期電荷容量CQ1及び放電容量DQ1が定電流モード(CC)で測定される第1のサイクルを除いて、全ての後続サイクルは、0.05Cの終止電流基準を有する充電の間、定電流−定電圧の特徴を示す。第1のサイクルに関する30分間の積分時間、及び全ての後続サイクルに関する10分間の積分時間が、各充電と放電との間で許容される。 Part I is a rate performance evaluation at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C and 3C in the metal window range of 4.3-3.0 V / Li. Except for the first cycle, where the initial charge capacity CQ1 and discharge capacity DQ1 are measured in constant current mode (CC), all subsequent cycles are constant current-constant during charging with an end current reference of 0.05C. The characteristics of voltage are shown. A 30 minute integration time for the first cycle and a 10 minute integration time for all subsequent cycles are allowed between each charge and discharge.
パートIIは、1Cにおけるサイクル寿命の評価である。充電カットオフ電圧は、4.5V/Liの金属として設定される。4.5V/Liの金属における放電容量は、サイクル7及び34において0.1Cであり、またサイクル8及び35において1Cで測定される。 Part II is an evaluation of cycle life at 1C. The charge cut-off voltage is set as 4.5 V / Li metal. The discharge capacity in a 4.5 V / Li metal is 0.1 C in cycles 7 and 34 and is measured at 1 C in cycles 8 and 35.
パートIIIは、4.5〜3.0V/Li金属間の、充電に関する1Cレート及び放電に対する1Cレートを用いた、加速サイクル寿命の実験である。容量減退は、以下のように計算される。 Part III is an accelerated cycle life experiment using a 1C rate for charging and a 1C rate for discharging between 4.5 and 3.0 V / Li metal. Capacity decline is calculated as follows.
c)試験方法2
異なるカソード材料の特定の容量が異なる場合、異なるカソード材料のサイクリング安定性を比較することは容易ではない。1つのサンプルが低い容量を有して良好に循環し、かつその他が高容量を有して循環が悪くなる場合、適性な比較を行うことは容易ではない。従って、「試験方法2」は、一定の電荷容量手順を使用する。試験方法2は、同一容量でのサイクル安定性を比較している。200mAh/gの一定の電荷容量を選択する。一般的に、可逆容量が失われるので、サイクリング中に減退が観察される。従って、200mAh/gで固定された電荷容量を維持するために、充電電圧が持続的に増大する。充電終止電圧のモニタリングは、固定された充電電圧条件下でサイクリング中の減退率を数量化する、高感度の手法である。電圧の増大が速くなると、サイクル安定性が悪化する。最大電圧を4.7Vにて確定する。電解質の安定性が高電圧で劇的に低下するので、より高い電圧での試験では、感度はわずかである。従って、電荷容量が4.7Vを超える場合、定電圧(V=4.7V)の試験タイプへと試験を切り替える。一定のQから一定のVへの転換サイクルは、サイクル数の関数として容量をグラフで計算する場合に、容易に検知される。これは、サイクル安定性の特性を決定するための良好な参照である。その後に転換が起こり、サイクル安定性がより良好となる。
c) Test method 2
If the specific capacities of different cathode materials are different, it is not easy to compare the cycling stability of different cathode materials. If one sample has a low volume and circulates well and the other has a high volume and the circulation is poor, it is not easy to make a suitable comparison. Thus, “Test Method 2” uses a constant charge capacity procedure. Test method 2 compares the cycle stability at the same capacity. A constant charge capacity of 200 mAh / g is selected. Generally, a loss is observed during cycling because the reversible capacity is lost. Accordingly, the charging voltage is continuously increased to maintain a fixed charge capacity at 200 mAh / g. End-of-charge voltage monitoring is a sensitive technique that quantifies the rate of decline during cycling under fixed charge voltage conditions. As the voltage increases faster, cycle stability deteriorates. Determine the maximum voltage at 4.7V. In higher voltage tests, the sensitivity is negligible because the stability of the electrolyte decreases dramatically at higher voltages. Therefore, when the charge capacity exceeds 4.7V, the test is switched to the constant voltage (V = 4.7V) test type. A constant Q to constant V conversion cycle is easily detected when the capacity is graphically calculated as a function of cycle number. This is a good reference for determining cycle stability characteristics. Conversion then occurs and cycle stability is better.
最終的に、「正規」(一定のV)試験の間、必ずしも第1サイクルのように全容量が達成されるとは限らない。時々、最初の何回かのサイクルの間に、容量が増大する。この作用は、「負の減退」又は「活性化」と呼ばれている。このような作用を最小限に抑えるために、200mAh/gの固定電荷容量を適用する前に、低電圧にて10サイクルを実施する。活性化の間の構造的損傷により引き起こされる容量損失を防止することが可能である故に、「穏やかな」試験条件である低電圧が選択される。従って、200mAh/gの固定電荷容量を使用することで、次の「強すぎる」サイクルの間に容量減退が発生することを意図する。表2は、詳細な試験手順を示す。本コイン電池試験手順は、220mA/gの1C電流定義を使用し、かつ以下のように2つの部分で構成される。 Ultimately, during a “regular” (constant V) test, full capacity is not always achieved as in the first cycle. Sometimes the capacity increases during the first few cycles. This effect is called “negative decline” or “activation”. In order to minimize such effects, 10 cycles are performed at a low voltage before applying a fixed charge capacity of 200 mAh / g. Low voltage, which is a “mild” test condition, is selected because it is possible to prevent capacity loss caused by structural damage during activation. Therefore, using a fixed charge capacity of 200 mAh / g is intended to cause a capacity decline during the next “too strong” cycle. Table 2 shows the detailed test procedure. The coin cell test procedure uses a 1 mA current definition of 220 mA / g and consists of two parts as follows:
パートI(活性化)は、4.1〜3.0V/Li金属窓範囲における0.5Cでの、第1から第10サイクルまでのサイクル寿命の評価である。サイクルは、0.05Cの終電流基準を伴う充電の間の、定電流−低電圧を特徴とする。全てのサイクルに関して、各充放電の間に20分間の休憩時間を設けることが許容される。 Part I (activation) is an evaluation of the cycle life from the first to the tenth cycle at 0.5 C in the 4.1-3.0 V / Li metal window range. The cycle is characterized by constant current-low voltage during charging with a 0.05 C final current reference. For all cycles, a 20 minute break is allowed between each charge and discharge.
パートII(一定のQサイクリング)は、固定電荷容量(Q)下での、サイクル寿命の評価である。本パートにおける第1サイクルに関して、電荷容量及び放電容量は、4.3V〜3.0/Liの金属窓範囲にて0.2Cで測定される。次の9サイクルの間に、試験を実施して固定電荷容量を達成する。充電時間は、200mAh/gの電荷容量が得られる場合に限定される。一定の容量を獲得するために、充電終止電圧を増大させる。また、電荷容量が4.7Vを超える場合、定電圧(V=4.7V)の試験タイプへと試験を切り替える。本手順を4回繰り返す。最終的に、1サイクルを0.2Cにて更に測定する。 Part II (constant Q cycling) is an assessment of cycle life under a fixed charge capacity (Q). For the first cycle in this part, the charge capacity and discharge capacity are measured at 0.2 C in the metal window range of 4.3 V to 3.0 / Li. During the next 9 cycles, tests are performed to achieve a fixed charge capacity. The charging time is limited to the case where a charge capacity of 200 mAh / g is obtained. In order to obtain a certain capacity, the end-of-charge voltage is increased. When the charge capacity exceeds 4.7V, the test is switched to the constant voltage (V = 4.7V) test type. Repeat this procedure four times. Finally, one cycle is further measured at 0.2C.
以下の通り計算された勾配(S)により、サイクル安定性を測定する。 Cycle stability is measured by the slope (S) calculated as follows.
式中、Nは4.7Vに到達するまでのサイクル数(14サイクル後)である、又は4.7Vの電圧がサイクル51にて到達されない場合に、Nは37である。より低い勾配Sにて、より安定したサイクリング材料が観察される。 Where N is the number of cycles to reach 4.7V (after 14 cycles), or N is 37 if a voltage of 4.7V is not reached in cycle 51. With a lower slope S, a more stable cycling material is observed.
d)試験方法3
「試験方法3」は、蓄電特性の試験である。本試験では、高温での蓄電前後の容量を測定する。上述のようにコイン電池を作製する。容量を、4.3〜3.0V/Liの金属窓範囲にて、0.1Cで測定する。表3は、適用した試験手順の詳細についてまとめている。
d) Test method 3
“Test method 3” is a test of power storage characteristics. In this test, the capacity before and after storage at high temperature is measured. A coin battery is produced as described above. The capacity is measured at 0.1 C in the metal window range of 4.3-3.0 V / Li. Table 3 summarizes the details of the applied test procedure.
第1サイクルにおける放電容量DQ1を基準値として使用し、蓄電特性を評価する。第2サイクルを帯電させて、蓄電の準備を行う。190mAh/gまでコイン電池を充電した後、コイン電池を分解する。電極が「湿って」いるために、DMCで洗浄することにより過剰な電解質を取り除き、かつ電極をAIパウチバッグ内で密封する。これらのパウチを、80℃にて2週間保存する。蓄電後、これらの電極及び新鮮な電解質を用いて新しいコイン電池を組み立てる。電池の循環装置内に挿入させた後、事後サイクリング工程を適用して残存容量を測定する。表4は、適用した事後試験手順の詳細についてまとめている。ここで、保持容量(DQ2”)=第2サイクルでの放電容量、を選択して、蓄電特性を評価する。蓄電期間の前後の放電容量の変化により、特性を決定する。回復容量(R.Q)は、以下のように計算される。 The discharge capacity DQ1 in the first cycle is used as a reference value to evaluate the storage characteristics. The second cycle is charged to prepare for storage. After charging the coin battery to 190 mAh / g, the coin battery is disassembled. Because the electrode is “wet”, excess electrolyte is removed by washing with DMC and the electrode is sealed in an AI pouch bag. These pouches are stored at 80 ° C. for 2 weeks. After power storage, a new coin battery is assembled using these electrodes and fresh electrolyte. After being inserted into the battery circulation device, a post cycling process is applied to measure the remaining capacity. Table 4 summarizes the details of the applied post-test procedure. Here, the storage capacity (DQ2 ″) = discharge capacity in the second cycle is selected to evaluate the storage characteristics. The characteristics are determined by the change in the discharge capacity before and after the storage period. Q) is calculated as follows.
B)炭素分析
カソード材料の炭素含有量を、EMIA−320V炭素/イオウ分析器により測定する。カソード材料1gを、高周波誘導電気炉内のセラミック坩堝の中に置いた。タングステン1.5g及びスズ0.3gを、促進剤として坩堝中へと添加する。プログラム可能な温度にて、材料を加熱する。燃焼の間に発生したガスを、次に、4つの赤外線検出器により分析する。CO2含有量及びCO含有量の分析により、炭素濃度を測定する。
B) Carbon analysis The carbon content of the cathode material is measured with an EMIA-320V carbon / sulfur analyzer. 1 g of the cathode material was placed in a ceramic crucible in a high frequency induction electric furnace. Add 1.5 g tungsten and 0.3 g tin into the crucible as a promoter. Heat the material at a programmable temperature. The gas generated during combustion is then analyzed by four infrared detectors. Carbon concentration is measured by analysis of CO 2 content and CO content.
C)示差走査熱量計(DSC)分析
コイン電池電極を、前述したように作製した。約3.3mgの活性材料を含有する小形電極を押込んで、コイン電池に組み立てる。C/24レートを使用して電池を4.3Vまで充電し、続いて少なくとも1時間定電圧充電する。コイン電池の分解後、ジメチルカーボネート(DMC)を用いて電極を繰り返し洗浄して、残留する電解質を除去する。DMCの蒸発後、電極をステンレス鋼の缶内へと埋めて、かつ約1.3mgの電解質を加え、続いて電池を密封して閉じる(圧着)。電解質は、上記のコイン電池の作製に使用されるものと同一である。TAインストルメントDSC Q10装置を用いて、DSC測定を実施する。5℃/minの加熱速度を使用して、50〜350℃にてDSCスキャンを実施する。DSC電池及び圧縮装置もまた、TAにより供給された。100〜320℃の基準以上のピーク面積の総和を示すことにより、発熱容量を推定する。
C) Differential Scanning Calorimetry (DSC) Analysis Coin battery electrodes were made as described above. A small electrode containing about 3.3 mg of active material is pressed into a coin cell. Charge the battery to 4.3V using the C / 24 rate, followed by constant voltage charging for at least 1 hour. After the coin battery is disassembled, the electrode is repeatedly washed with dimethyl carbonate (DMC) to remove the remaining electrolyte. After evaporation of the DMC, the electrode is embedded in a stainless steel can and about 1.3 mg of electrolyte is added, followed by sealing and closing the battery (crimping). The electrolyte is the same as that used for the production of the coin battery. DSC measurements are performed using a TA instrument DSC Q10 instrument. A DSC scan is performed at 50-350 ° C. using a heating rate of 5 ° C./min. DSC batteries and compression devices were also supplied by TA. The heat generation capacity is estimated by showing the sum of peak areas above the standard of 100 to 320 ° C.
D)充電池試験
650mAhのパウチ型電池を次のように作製する。カソード材料、Super−P(Timcalから市販されているSuper−PTM Li)、正極導電剤としてグラファイト(Timcalから市販されているKS−6)、及び正極結合剤としてポリフッ化ビニリデン(Kurehaから市販されているPVDF 1710)を分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に加え、これにより、正極活性材料粉末、正極導電剤super−P及びグラファイト、並びに正極結合剤の質量比が92/3/1/4となるようにした。その後、混合物を混練して正極混合スラリーを調製する。次いで、得られた正極混合スラリーを、厚さ15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布する。適用領域の幅は43mmであり、また長さは450mmである。典型的なカソード活性材料の充填量は13.9mg/cm2である。電極を次に乾燥させて、100Kgf(981N)の圧力を使用してカレンダー(Calendar,つや出しロール機械)にかける。典型的な電極密度は3.2g/cm3である。また、正極の端部には、正極集電体タブとして働くアルミニウム板がアーク溶接されている。
D) Rechargeable battery test A 650 mAh pouch-type battery is produced as follows. Cathode material, Super-P (Super-PTM Li, commercially available from Timcal), Graphite as positive electrode conductive agent (KS-6, commercially available from Timcal), and Polyvinylidene fluoride (available from Kureha as positive electrode binder) PVDF 1710) as a dispersion medium is added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), so that the mass ratio of positive electrode active material powder, positive electrode conductive agent super-P and graphite, and positive electrode binder is 92/3 / It was set to 1/4. Thereafter, the mixture is kneaded to prepare a positive electrode mixed slurry. Next, the obtained positive electrode mixed slurry is applied to both surfaces of a positive electrode current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm. The width of the application area is 43 mm and the length is 450 mm. A typical cathode active material loading is 13.9 mg / cm 2 . The electrodes are then dried and placed on a calendar (Calendar, hot roll machine) using a pressure of 100 Kgf (981 N). A typical electrode density is 3.2 g / cm 3 . Also, an aluminum plate serving as a positive electrode current collector tab is arc welded to the end of the positive electrode.
市販の負極が用いられる。要するに、グラファイト、カルボキシ−メチル−セルロース−ナトリウム(CMC)とスチレンブタジエンゴム(SBR)との質量比96/2/2の混合物を、銅箔の両面に塗布する。負極の端部には、負極集電体タブとして機能するニッケル板がアーク溶接されている。電池平衡化に使用される典型的なカソード及びアノード放電容量比は0.75である。エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との体積比1:2の混合溶媒中に、1.0モル/Lの濃度にてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)塩を溶解させることにより、非水成電解質を得る。 A commercially available negative electrode is used. In short, a mixture of graphite, carboxy-methyl-cellulose-sodium (CMC) and styrene butadiene rubber (SBR) in a mass ratio of 96/2/2 is applied to both sides of the copper foil. A nickel plate functioning as a negative electrode current collector tab is arc welded to the end of the negative electrode. A typical cathode and anode discharge capacity ratio used for battery balancing is 0.75. By dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) salt at a concentration of 1.0 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1: 2, A non-aqueous electrolyte is obtained.
螺旋状に巻かれた電極アセンブリを得るために、正極シート、及び負極シート、並びにそれらの間に差し込まれた、厚さ20μmの微多孔性ポリマーフィルム(Celgardから市販のCelgard(登録商標)2320)から作られたセパレータシートを、巻線コアロッドを用いて螺旋状に巻いた。アセンブリ及び電解質は、次に、風乾室内で−50℃の露点にてアルミニウム積層されたパウチ内に入れられ、これにより、平坦なパウチ型のリチウム二次電池が作製される。二次電池の設計容量は、4.20Vまで充電する場合に650mAhである。 To obtain a spirally wound electrode assembly, a positive electrode sheet and a negative electrode sheet, and a microporous polymer film with a thickness of 20 μm inserted between them (Celgard® 2320, commercially available from Celgard) A separator sheet made from was wound in a spiral using a wound core rod. The assembly and electrolyte are then placed in an aluminum-laminated pouch at a dew point of −50 ° C. in an air-drying chamber, thereby producing a flat pouch-type lithium secondary battery. The design capacity of the secondary battery is 650 mAh when charging up to 4.20V.
非水成電解質の水溶液を、室温で8時間含浸させる。電池はその理論容量の15%にて予備充電され、室温で1日充電される。電池を次に脱気させて、アルミニウムパウチを密閉する。以下の通り、使用するための電池を作製する:CCモードにて0.5Cレートで放電して2.7Vのカットオフ電圧まで下がる前に、CCモード(定電流)にて0.2C(1C=650mA)の電流を用いて4.2Vまで、次にCVモード(定電圧)にてC/20のカットオフ電流に到達するまで、電池を充電する。 An aqueous solution of a non-aqueous electrolyte is impregnated at room temperature for 8 hours. The battery is precharged at 15% of its theoretical capacity and charged at room temperature for one day. The battery is then evacuated and the aluminum pouch is sealed. A battery for use is prepared as follows: before discharging to a cut-off voltage of 2.7 V in CC mode at a rate of 0.5 C, 0.2 C (1 C) in CC mode (constant current). The battery is charged to 4.2 V using a current of 650 mA) and then to a C / 20 cut-off current in CV mode (constant voltage).
下記条件下で45℃にて、作製したセル型充電池を充電し、かつ数回放電して、それらの充電−放電サイクルの性能を測定する。
−CCモードにて1Cレート下で4.2Vまで、次にCVモードにてC/20に到達するまで、充電を実施する。
−電池を次に、10分間休止設定する。
−CCモードにて1Cレートで、2.7Vに下がるまで放電を行う。
−電池を次に、10分間休止設定する。
−充電−放電サイクルを、電池が約80%の保持容量に到達するまで続けて行なう。100サイクルの全てにおいて、CCモードにて0.2のCレートで、2.7Vまでの放電を一度行う。
The prepared cell-type rechargeable battery is charged and discharged several times at 45 ° C. under the following conditions, and the performance of those charge-discharge cycles is measured.
-Charging is performed until reaching 4.2V under the 1C rate in the CC mode and then reaching C / 20 in the CV mode.
-The battery is then rested for 10 minutes.
-Discharge until it drops to 2.7V at 1C rate in CC mode.
-The battery is then rested for 10 minutes.
-The charge-discharge cycle is continued until the battery reaches approximately 80% holding capacity. In all 100 cycles, discharge to 2.7 V is performed once at a C rate of 0.2 in CC mode.
80%の回復容量(80%のR.Qでのサイクル#)でのサイクル数を得て、サイクルにおける放電容量が初期放電容量の80%に達する場合のサイクル数を計算する。1000サイクル以内で放電容量が初期の放電容量の80%に到達しない場合、放電容量が線形に減少し続けると想定される最新の50サイクルを使用して、80%のR.Q.でのサイクル#を外挿する。 Obtain the number of cycles at 80% recovery capacity (cycle # at 80% RQ) and calculate the number of cycles when the discharge capacity in the cycle reaches 80% of the initial discharge capacity. If the discharge capacity does not reach 80% of the initial discharge capacity within 1000 cycles, using the latest 50 cycles where the discharge capacity is expected to continue to decrease linearly, 80% R.D. Q. Extrapolate cycle # in
製造実施例
以下の説明は、再焼結プロセスを通しての高Ni−超過NMC粉末の製造手順の実施例を提供し、これは前述のように、通常はLi2CO3又はLiOH・H2Oであるリチウム源と、通常は混合遷移金属水酸化物M’(OH)2又はオキシ水酸化物M’OOH(M’=Ni、Mn及びCOを伴う)であるがこれらの水酸化物に限定されない混合遷移金属源との間の、固体状態反応ある。再焼結プロセスとしては、とりわけその他の2つの焼結工程が挙げられる。
1)第1ブレンド:リチウムが欠損した焼結前駆体、リチウム及び混合遷移金属源を、ヘンシェルミキサー(Henschel Mixer)(登録商標)にて30分間、均質にブレンドする。
2)第1焼結:第1ブレンド工程からのブレンドを、700〜950℃にて5〜30時間、炉内における酸素を含有した環境下で焼結する。第1の焼結後に焼結ケークを粉砕し、第2のブレンド工程のために準備ができた状態となるように分類してふるいにかける。本工程から得られた生成物は、リチウムが欠損した焼結前駆体であり、LiM’O2におけるLi/M’の化学量論比が1未満であることを意味する。
3)第2ブレンド:リチウムが欠損した焼結前駆体を、Li化学量論を補正するためにLiOH・H2Oとブレンドする。ブレンドを、ヘンシェルミキサー(登録商標)にて30分間実施する。
4)第2焼結:第2ブレンド工程からのブレンドを、800〜950℃にて5〜30時間、炉内における酸素を含有した環境下で焼結する。
5)後処理工程:第2焼結後に、焼結ケークを粉砕し、非アグロメレート化NMC粉末を得るために、分類してふるいにかける。
Production Example The following description provides an example of a production procedure for high Ni-excess NMC powder through a re-sintering process, which, as mentioned above, is usually Li 2 CO 3 or LiOH.H 2 O. Some lithium sources and usually mixed transition metal hydroxides M ′ (OH) 2 or oxyhydroxides M′OOH (with M ′ = Ni, Mn and CO), but not limited to these hydroxides There is a solid state reaction with the mixed transition metal source. The re-sintering process includes, among other things, two other sintering steps.
1) First blend: Lithium deficient sintering precursor, lithium and mixed transition metal source are blended homogeneously for 30 minutes in a Henschel Mixer®.
2) First sintering: The blend from the first blending process is sintered at 700-950 ° C. for 5-30 hours in an oxygen-containing environment in a furnace. After the first sintering, the sintered cake is ground and classified and sieved so that it is ready for the second blending step. The product obtained from this step is a sintered precursor deficient in lithium, which means that the Li / M ′ stoichiometric ratio in LiM′O 2 is less than 1.
3) Second blend: Lithium-deficient sintered precursor is blended with LiOH.H 2 O to correct Li stoichiometry. Blending is carried out in a Henschel mixer® for 30 minutes.
4) Second sintering: The blend from the second blending step is sintered at 800-950 ° C. for 5-30 hours in an oven-containing environment.
5) Post-processing step: After the second sintering, the sintered cake is crushed and sieved to obtain non-agglomerated NMC powder.
実施例1
前述の「製造実施例」に従って、サンプルEX1.1を作製する。ニッケル−マンガン−コバルトの混合水酸化物(M’(OH)2)は前駆体として使用され、M’(OH)2は大規模な持続的攪拌槽型反応器(CSTR)にて、ニッケル−マンガン−コバルトの混合サルフェート、水酸化ナトリウム及びアンモニアを用いて共沈プロセスにより調製される。第1ブレンド工程では、5.5kgのM’(OH)2混合物(ここでM’=Ni0.625Mn0.175Co0.20(Ni−超過=0.45)である)及び0.85のLi/M’比率を伴うLiOH・H2Oを調製する。チャンバ炉内の酸素環境下にて、800℃で10時間、第1ブレンドを焼結する。Li/M’が1.01である50gの第2ブレンドを調製するために、得られたリチウム欠乏性焼結前駆体をLiOH・H2Oとブレンドする。チャンバ炉内の乾燥空気環境下にて、840℃にて10時間第2ブレンドを焼結する。上記の調製したEX1.1は、式Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を有する。
Example 1
Sample EX1.1 is produced according to the above-mentioned “Production Example”. Nickel-manganese-cobalt mixed hydroxide (M ′ (OH) 2 ) is used as a precursor, and M ′ (OH) 2 is used in a large-scale continuous stirred tank reactor (CSTR). Prepared by a coprecipitation process using mixed manganese-cobalt sulfate, sodium hydroxide and ammonia. In the first blending step, 5.5 kg of M ′ (OH) 2 mixture (where M ′ = Ni 0.625 Mn 0.175 Co 0.20 (Ni-excess = 0.45)) and 0. Prepare LiOH.H 2 O with a Li / M ′ ratio of 85. The first blend is sintered at 800 ° C. for 10 hours in an oxygen environment in a chamber furnace. The resulting lithium-deficient sintered precursor is blended with LiOH.H 2 O to prepare a 50 g second blend with Li / M ′ of 1.01. The second blend is sintered at 840 ° C. for 10 hours in a dry air environment in a chamber furnace. EX1.1 prepared above has the formula Li 1.005 M ′ 0.995 O 2 (Li / M ′ = 1.01).
Li0.975M’1.025O2(Li/M’=0.95)を有するサンプルEX1.2を、第1及び第2焼結温度がそれぞれ720℃及び845℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って調製する。 Sample EX1.2 with Li 0.975 M ′ 1.025 O 2 (Li / M ′ = 0.95), except that the first and second sintering temperatures are 720 ° C. and 845 ° C., respectively. , Prepared according to the same method as in EX 1.1.
Li1.015M’0.985O2(Li/M’=1.03)を有するサンプルEX1.3を、第2焼結温度が835℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って調製する。 Sample EX1.3 with Li 1.015 M ′ 0.985 O 2 (Li / M ′ = 1.03) is as in EX 1.1 except that the second sintering temperature is 835 ° C. Prepare according to the same method.
Li1.024M’0.976O2(Li/M’=1.05)を有するサンプルEX1.4を、第2焼結温度が835℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って調製する。 Sample EX1.4 with Li 1.024 M ′ 0.976 O 2 (Li / M ′ = 1.05) was used as in EX 1.1 except that the second sintering temperature was 835 ° C. Prepare according to the same method.
リチウムイオン電池用の正極として実施例を評価するために、前述の「コイン電池作製」によりコイン電池を作製する。前述の「試験方法1」により、実施例の、従来のコイン電池試験を実施する。初期の放電容量(DQ1)を、4.3〜3.0V/Liの金属窓範囲にて、0.1Cで測定する。充電及び放電に関して、容量減退(1C/1C QFad.)を、4.5〜3.0V/Liの金属にて、1Cで測定する。一定の充電状態にて実施例のサイクル安定性を調査するために、前述の「試験方法2」によりコイン電池を評価し、かつ200mAh/gの一定の電荷容量を使用する。転換点までサイクル数の関数として充電終止電圧を使用して、サイクルの安定性を意味する勾配(複数)を評価する。前述の「試験方法3」により、80℃にて2週間、実施例の蓄電特性を推定する。蓄電特性を示す回復容量(R.Q)を、(DQ1’)前及び(DQ2”)後の容量の変化を観察することにより評価する。 In order to evaluate an example as a positive electrode for a lithium ion battery, a coin battery is prepared by the above-described “coin battery preparation”. The conventional coin battery test of the example is performed by the above-described “test method 1”. The initial discharge capacity (DQ1) is measured at 0.1 C in the metal window range of 4.3 to 3.0 V / Li. For charge and discharge, the capacity decay (1C / 1C QFad.) Is measured at 1C with a metal of 4.5-3.0 V / Li. In order to investigate the cycle stability of the example in a constant charge state, the coin battery is evaluated by the above-mentioned “Test Method 2” and a constant charge capacity of 200 mAh / g is used. Using the end-of-charge voltage as a function of the number of cycles to the turning point, the slope (s) implying cycle stability is evaluated. By the above-mentioned “Test Method 3”, the storage characteristics of the examples are estimated at 80 ° C. for 2 weeks. The recovery capacity (R.Q) showing the storage characteristics is evaluated by observing the change in capacity before (DQ1 ') and after (DQ2 ").
前述の「炭素分析」により、サンプルの炭素含有量を測定する。50〜350℃にてサンプルが燃焼する間に発生したガス(CO2及びCO)を検出することにより、炭素濃度を測定する。前述の「DSC分析」により、実施例の熱安定性を調査する。DSCの結果における100〜320℃の基準以上のピーク面積の総和を示すことにより、発熱容量を推定する。 The carbon content of the sample is measured by the aforementioned “carbon analysis”. The carbon concentration is measured by detecting gases (CO 2 and CO) generated while the sample is burning at 50-350 ° C. The thermal stability of the examples is investigated by the aforementioned “DSC analysis”. The heat generation capacity is estimated by showing the sum of peak areas above the standard of 100 to 320 ° C. in the DSC results.
EX1.1〜EX1.4の初期の放出容量、容量減退、勾配、回復容量、炭素含有量、及び発熱容量を、表5に示す。 Table 5 shows the initial release capacity, capacity decline, slope, recovery capacity, carbon content, and heat generation capacity of EX1.1 to EX1.4.
比較実施例1
Li1.034M’0.966O2(Li/M’=1.07)を有するサンプルCEX1を、第1及び第2焼結温度がそれぞれ720℃及び830℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って調製する。
Comparative Example 1
Sample CEX1 with Li 1.034 M ′ 0.966 O 2 (Li / M ′ = 1.07) is EX1 except that the first and second sintering temperatures are 720 ° C. and 830 ° C., respectively. Prepare according to the same method as in 1.
比較実施例2
組成物Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を伴うサンプルCEX2を、M’(OH)2におけるM’がNi0.65Mn0.10Co0.25(Ni−超過=0.55)であり、かつ第2焼結温度が800℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って得る。
Comparative Example 2
Sample CEX2 with composition Li 1.005 M ′ 0.995 O 2 (Li / M ′ = 1.01), M ′ in M ′ (OH) 2 is Ni 0.65 Mn 0.10 Co 0. 25 (Ni-excess = 0.55) and obtained according to the same method as in EX 1.1 except that the second sintering temperature is 800 ° C.
比較実施例3
組成物Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を伴うCEX3を、M’(OH)2におけるM’がNi0.65Mn0.175Co0.175(Ni−超過=0.48)であり、かつ第2焼結温度が825℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って調製する。
Comparative Example 3
CEX3 with composition Li 1.005 M ′ 0.995 O 2 (Li / M ′ = 1.01), M ′ in M ′ (OH) 2 is Ni 0.65 Mn 0.175 Co 0.175 (Ni-excess = 0.48) and prepared according to the same method as in EX 1.1 except that the second sintering temperature is 825 ° C.
比較実施例4
組成物Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を伴うCEX4を、M’(OH)2におけるM’がNi0.6Mn0.2Co0.2(Ni−超過=0.4)であり、かつ第2焼結温度が860℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って得る。
Comparative Example 4
CEX4 with composition Li 1.005 M ′ 0.995 O 2 (Li / M ′ = 1.01), M ′ in M ′ (OH) 2 is Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 (Ni-excess = 0.4) and obtained according to the same method as in EX 1.1 except that the second sintering temperature is 860 ° C.
比較実施例5
組成物LiM’O2(Li/M’=1.00)を伴うCEX5を、前駆体として使用されるM’(OH)2におけるM’がNi0.68Mn0.12Co0.2(Ni−超過=0.56)であり、かつ第2焼結温度が820℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って得る。
Comparative Example 5
CEX5 with composition LiM′O 2 (Li / M ′ = 1.00) is used as a precursor, and M ′ in M ′ (OH) 2 used as a precursor is Ni 0.68 Mn 0.12 Co 0.2 ( Ni-excess = 0.56) and obtained according to the same method as in EX 1.1 except that the second sintering temperature is 820 ° C.
比較実施例6
組成物Li0.995M’1.005O2(Li/M’=0.99)を伴うCEX6を、M’(OH)2におけるM’がNi0.7Mn0.15Co0.15(Ni−超過=0.55)であり、かつ第2焼結温度が830℃であることを除いて、EX1.1におけるような同一方法に従って得る。
Comparative Example 6
CEX6 with composition Li 0.995 M ′ 1.005 O 2 (Li / M ′ = 0.99), M ′ in M ′ (OH) 2 is Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 (Ni-excess = 0.55) and obtained according to the same method as in EX 1.1 except that the second sintering temperature is 830 ° C.
比較実施例CEX1〜6の初期の放出容量及び容量減退を、EX1におけるような同一方法に従って測定する。80℃にて2週間でのサイクル安定性、蓄電特性、及び炭素含有量を意味する実施例の勾配もまた、同様である。初期の放出容量、容量減退、勾配、回復容量、及び炭素含有量を、表5に示す。 The initial release capacity and capacity decline of Comparative Examples CEX1-6 are measured according to the same method as in EX1. The slopes of the examples implying cycle stability, storage characteristics and carbon content at 80 ° C. for 2 weeks are similar. The initial release capacity, capacity decline, slope, recovery capacity, and carbon content are shown in Table 5.
実施例2
工業規模の生成物であるEX2.1を、前述の「製造実施例」に従って調製する。ニッケル−マンガン−コバルトの混合水酸化物(M’(OH)2)は前駆体として使用され、M’(OH)2は大規模な持続的攪拌槽型反応器(CSTR)にて、ニッケル−マンガン−コバルトの混合サルフェート、水酸化ナトリウム及びアンモニアを用いて共沈プロセスにより調製される。第1ブレンド工程では、5.5kgのM’(OH)2混合物(ここでM’=Ni0.625Mn0.175Co0.20(Ni−超過=0.45)である)及び0.8のLi/M’比率を伴うLi2CO3を調製する。チャンバ炉内の乾燥空気環境下にて、885℃にて10時間第1ブレンドを焼結する。Li/M’が1.045である4.5kgの第2ブレンドを調製するために、得られたリチウム欠乏性焼結前駆体をLiOH・H2Oとブレンドする。チャンバ炉内の乾燥空気環境にて、840℃にて10時間第2ブレンドを焼結する。上記の調製したEX2.1は、式Li1.022M’0.978O2(Li/M’=1.045)を有する。
Example 2
EX 2.1, an industrial scale product, is prepared according to the “Preparation Examples” described above. Nickel-manganese-cobalt mixed hydroxide (M ′ (OH) 2 ) is used as a precursor, and M ′ (OH) 2 is used in a large-scale continuous stirred tank reactor (CSTR). Prepared by a coprecipitation process using mixed manganese-cobalt sulfate, sodium hydroxide and ammonia. In the first blending step, 5.5 kg of M ′ (OH) 2 mixture (where M ′ = Ni 0.625 Mn 0.175 Co 0.20 (Ni-excess = 0.45)) and 0. Prepare Li 2 CO 3 with a Li / M ′ ratio of 8. The first blend is sintered at 885 ° C. for 10 hours in a dry air environment in a chamber furnace. The resulting lithium-deficient sintered precursor is blended with LiOH.H 2 O to prepare a 4.5 kg second blend with Li / M ′ of 1.045. Sinter the second blend for 10 hours at 840 ° C. in a dry air environment in a chamber furnace. EX2.1 prepared above has the formula Li 1.022 M ′ 0.978 O 2 (Li / M ′ = 1.045).
以下のプロセスにより、アルミニウムでコーティングされたリチウム遷移金属酸化物EX2.2を作製する。1.3kgのEX2.1を、0.26gの酸化アルミニウムとブレンドする。チャンバ炉内にて、750℃にて7時間ブレンドを加熱する。アルミニウムでコーティングした加熱されたリチウム遷移金属酸化物を、270メッシュ(ASTM)ふるいでふるいにかける。 The aluminum-coated lithium transition metal oxide EX2.2 is prepared by the following process. 1.3 kg of EX2.1 is blended with 0.26 g of aluminum oxide. Heat the blend for 7 hours at 750 ° C. in a chamber furnace. The heated lithium transition metal oxide coated with aluminum is screened through a 270 mesh (ASTM) screen.
以下のプロセスにより、アルミニウムでコーティングされた、二次位相としてLiNaSO4を含有するリチウム遷移金属酸化物EX2.3を作製する。4.0kgのEX2.1を8.0gの酸化アルミニウムとブレンドして、第1ブレンドを調製する。高RPM(毎分回転数)混合機により、第1ブレンドをNa2S2O8溶液(140mLの水中にてNa2S2O8粉末が48g)とブレンドして、第2ブレンドを調整する。第2ブレンドを、375℃にて6時間加熱する。アルミニウムでコーティングされ加熱された、二次位相としてLiNaSO4を含有するリチウム遷移金属酸化物を、270メッシュ(ASTM)ふるいでふるいにかける。 The following process produces a lithium transition metal oxide EX2.3 coated with aluminum and containing LiNaSO 4 as the secondary phase. A first blend is prepared by blending 4.0 kg of EX2.1 with 8.0 g of aluminum oxide. Prepare the second blend by blending the first blend with Na 2 S 2 O 8 solution (48 g Na 2 S 2 O 8 powder in 140 mL water) with a high RPM (rotations per minute) mixer. . The second blend is heated at 375 ° C. for 6 hours. A lithium transition metal oxide coated with aluminum and heated, containing LiNaSO 4 as the secondary phase, is screened with a 270 mesh (ASTM) screen.
EX2.1、EX2.2及びEX2.3の初期の容量及び容量減退を、EX1におけるような同一方法に従って測定し、かつ表5に示す。EX2.1、EX2.2及びEX2.3の充電池試験を前述の充電池試験方法に従って実施し、表5にて所与される80%の回復容量にてサイクル数を得る。 The initial capacity and capacity decline of EX2.1, EX2.2 and EX2.3 were measured according to the same method as in EX1, and are shown in Table 5. The rechargeable battery tests of EX2.1, EX2.2 and EX2.3 are performed according to the rechargeable battery test method described above, and the number of cycles is obtained at the 80% recovery capacity given in Table 5.
比較実施例7
工業規模の生成物であるCEX7.1を、前述の「製造実施例」に従って調製する。ニッケル−マンガン−コバルトの混合水酸化物(M’(OH)2)は前駆体として使用され、M’(OH)2は大規模な持続的攪拌槽型反応器(CSTR)にて、ニッケル−マンガン−コバルトの混合サルフェート、水酸化ナトリウム及びアンモニアを用いて共沈プロセスにより調製される。第1ブレンド工程では、5.5kgのM’(OH)2混合物(ここでM’=Ni0.6Mn0.2Co0.2(Ni−超過=0.40)である)及び0.85のLi/M’比率を伴うLi2CO3を調製する。チャンバ炉内の乾燥空気環境下にて、900℃にて10時間第1ブレンドを焼結する。1.055のLi/M’比率を伴う3.0kgの第2ブレンドを調製するために、得られたリチウム欠乏性焼結前駆体をLiOH・H2Oとブレンドする。チャンバ炉内の乾燥空気環境下にて、855℃にて10時間第2ブレンドを焼結する。上記の調製したCEX7.1は、式Li1.027M’0.973O2(Li/M’=1.055)を有する。
Comparative Example 7
CEX 7.1, an industrial scale product, is prepared according to the “Manufacturing Examples” described above. Nickel-manganese-cobalt mixed hydroxide (M ′ (OH) 2 ) is used as a precursor, and M ′ (OH) 2 is used in a large-scale continuous stirred tank reactor (CSTR). Prepared by a coprecipitation process using mixed manganese-cobalt sulfate, sodium hydroxide and ammonia. In the first blending step, 5.5 kg of M ′ (OH) 2 mixture (where M ′ = Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 (Ni-excess = 0.40)) and 0. Li 2 CO 3 with a Li / M ′ ratio of 85 is prepared. Sinter the first blend for 10 hours at 900 ° C. in a dry air environment in a chamber furnace. The resulting lithium deficient sintered precursor is blended with LiOH.H 2 O to prepare a 3.0 kg second blend with a Li / M ′ ratio of 1.055. The second blend is sintered at 855 ° C. for 10 hours in a dry air environment in a chamber furnace. The above prepared CEX 7.1 has the formula Li 1.027 M ′ 0.973 O 2 (Li / M ′ = 1.555).
以下のプロセスにより、アルミニウムでコーティングされたリチウム遷移金属酸化物CEX7.2を作製する。1.3kgのEX7.1を、0.26gの酸化アルミニウムとブレンドする。チャンバ炉内にて、750℃にて5時間ブレンドを加熱する。アルミニウムでコーティングした加熱されたリチウム遷移金属酸化物を、270メッシュ(ASTM)ふるいでふるいにかける。 The lithium transition metal oxide CEX 7.2 coated with aluminum is made by the following process. 1.3 kg of EX 7.1 is blended with 0.26 g of aluminum oxide. Heat the blend at 750 ° C. for 5 hours in a chamber furnace. The heated lithium transition metal oxide coated with aluminum is screened through a 270 mesh (ASTM) screen.
比較実施例8
工業規模の生成物であるCEX8を、前述の「製造実施例」に従って調製する。ニッケル−マンガン−コバルトの混合水酸化物(M’(OH)2)は前駆体として使用され、M’(OH)2は大規模な持続的攪拌槽型反応器(CSTR)にて、ニッケル−マンガン−コバルトの混合サルフェート、水酸化ナトリウム及びアンモニアを用いて共沈プロセスにより調製される。第1ブレンド工程では、5.5kgのM’(OH)2混合物(ここでM’=Ni0.70Mn0.15Co0.15(Ni−超過=0.55)である)及び0.85のLi/M’比率を伴うLiOH・H2Oを調製する。800℃で10時間、RHK(ローラーハース窯)内の酸素環境下で第1ブレンドを焼結する。0.99のLi/M’比率を伴う3.0kgの第2ブレンドを調製するために、得られたリチウム欠乏性焼結前駆体をLiOH・H2Oとブレンドする。チャンバ炉内の酸素環境下にて、830℃で10時間、第2ブレンドを焼結する。上記の調製したCEX8は、式Li0.995M’1.005O2(Li/M’=0.99)を有する。
Comparative Example 8
CEX8, an industrial scale product, is prepared according to the “Manufacturing Examples” described above. Nickel-manganese-cobalt mixed hydroxide (M ′ (OH) 2 ) is used as a precursor, and M ′ (OH) 2 is used in a large-scale continuous stirred tank reactor (CSTR). Prepared by a coprecipitation process using mixed manganese-cobalt sulfate, sodium hydroxide and ammonia. In the first blending step, 5.5 kg of M ′ (OH) 2 mixture (where M ′ = Ni 0.70 Mn 0.15 Co 0.15 (Ni-excess = 0.55)) and 0. Prepare LiOH.H 2 O with a Li / M ′ ratio of 85. The first blend is sintered at 800 ° C. for 10 hours in an oxygen environment in an RHK (roller hearth kiln). The resulting lithium deficient sintered precursor is blended with LiOH.H 2 O to prepare a 3.0 kg second blend with a Li / M ′ ratio of 0.99. The second blend is sintered at 830 ° C. for 10 hours in an oxygen environment in a chamber furnace. The prepared CEX8 has the formula Li 0.995 M ′ 1.005 O 2 (Li / M ′ = 0.99).
CEX7.1、CEX7.2及びCEX8の初期の容量及び容量減退を、EX1におけるような同一方法に従って測定し、かつ表5に示す。CEX7.1、CEX7.2及びCEX8の充電池試験を前述の充電池試験方法に従って実施し、表5及び図9にて所与される80%の回復容量にてサイクル数を得る。 The initial capacity and capacity decline of CEX7.1, CEX7.2 and CEX8 were measured according to the same method as in EX1 and are shown in Table 5. CEX7.1, CEX7.2, and CEX8 rechargeable battery tests are performed according to the rechargeable battery test method described above to obtain the number of cycles at 80% recovery capacity given in Table 5 and FIG.
表5にて示すように、より高いCo含有量及びより低いCo含有量を用いた実施例と、EX1.1とを比較する。第1に、例えばCEX2に関してなどのCo含有量がより高い場合、その低いMn含有量故にサイクル安定性が減少する。逆に、例えばCEX3に関してなどのCo含有量がより低い場合、サイクリング中の構造的安定性は低下する。CEX3は0.48の高いNi−超過を有するにもかかわらず、低い放電容量及び不十分なサイクル安定性を有して一定の電荷容量を持続する。 As shown in Table 5, an example using higher Co content and lower Co content is compared with EX1.1. First, if the Co content is higher, such as for CEX2, the cycle stability is reduced because of its lower Mn content. Conversely, if the Co content is lower, such as for CEX3, the structural stability during cycling is reduced. Despite having a high Ni-excess of 0.48, CEX3 maintains a constant charge capacity with low discharge capacity and poor cycle stability.
次に、低いNi−超過及び高いNi−超過を用いた実施例と、EX1.1とを比較する。CEX4に関してなどのNi−超過がより低い場合、一定電圧における容量はより低い。追加的に、高い電荷容量(200mAh/g)を達成するためにより高い充電電圧が適用され、不十分なサイクル安定性という結果をもたらす。逆に、CEX5及びCEX6などのNi−超過がより高い場合、それらはより高い放電容量を有する。従って、高い電荷容量を得るために、より低い充電電圧が適用される。しかし、安全性は依然として低下し、かつサイクル安定性はEX1.1と比較してより低い。なお、より高いNi−超過NMC化合物(CEX5)は不十分な熱安定性を示す。 Next, an example using low Ni-excess and high Ni-excess is compared with EX1.1. When the Ni-excess is lower, such as for CEX4, the capacity at constant voltage is lower. Additionally, higher charging voltages are applied to achieve high charge capacity (200 mAh / g), resulting in poor cycle stability. Conversely, if the Ni-excess is higher, such as CEX5 and CEX6, they have a higher discharge capacity. Therefore, a lower charging voltage is applied to obtain a high charge capacity. However, safety is still reduced and cycle stability is lower compared to EX1.1. A higher Ni-excess NMC compound (CEX5) exhibits insufficient thermal stability.
更により高いモル比及びより低いモル比のNi/Mnを用いた実施例と、EX1.1とを比較する。表5にて示すように、CEX2に関してなどのNi/Mn比率が高すぎる場合、放電容量は高いがサイクル安定性は低下する。逆に、CEX4などのNi/Mn比率が低すぎる場合、高電圧にもかかわらず放電容量は低い。従って、EX1.1などの3.15〜4.25のNi/Mnを伴うNMC化合物は、より高い容量及びより良好なサイクル安定性を示す。 An example using higher and lower molar ratios of Ni / Mn is compared with EX1.1. As shown in Table 5, when the Ni / Mn ratio, such as for CEX2, is too high, the discharge capacity is high but the cycle stability is reduced. Conversely, when the Ni / Mn ratio such as CEX4 is too low, the discharge capacity is low despite the high voltage. Therefore, NMC compounds with 3.15 to 4.25 Ni / Mn such as EX1.1 show higher capacity and better cycle stability.
図3は、「試験方法1」により測定された実施例の放電容量を示す。DQ1の値は、市販のソフトウェア源9.1−等高線図を使用して、異なる領域で次第に変化させることにより示される。本図では、x−軸はNMC化合物におけるNi−超過(z)に関し、またy−軸はNMC化合物におけるCo/M’(モル/モル%)に関する。Ni−超過が増大するので、容量もまた増大する。約180mAh/gを超える放電容量を有するNMC化合物は、高い容量を伴う組成物に対応する。Co/M’=20モル/モル%にて最適な容量が観察され、より少ないNi−超過にてより高い容量が達成される。 FIG. 3 shows the discharge capacity of the example measured by “Test Method 1”. The value of DQ1 is shown by gradually changing in different regions using the commercially available software source 9.1-contour map. In this figure, the x-axis relates to Ni-excess (z) in the NMC compound, and the y-axis relates to Co / M ′ (mol / mol%) in the NMC compound. As the Ni-excess increases, the capacity also increases. NMC compounds with discharge capacities greater than about 180 mAh / g correspond to compositions with high capacities. Optimal capacity is observed at Co / M ′ = 20 mol / mol%, and higher capacity is achieved with less Ni-excess.
次に、図4は、「試験方法1」により測定された実施例の容量減退率を示す。100サイクル当たりの%での1C/1C QFad.の値は、市販のソフトウェア源9.1−等高線図を使用して、異なる領域で次第に変化させることにより示される。本図では、x−軸はサンプルにおけるNi−超過(z)に関し、またy−軸はサンプルにおけるCo/M’含有量(モル/モル%)に関する。約20モル%未満の容量減退を有するサンプルは、向上したサイクル寿命を伴う組成物を有する。特定の最適なCo組成物が観察される。Ni−超過の増大を伴い、約20モル/モル%Co/M’にてより良好なサイクル安定性が観察される。 Next, FIG. 4 shows the capacity decline rate of the example measured by “Test Method 1”. 1C / 1C QFad. In% per 100 cycles. The values of are shown by gradually changing in different regions using the commercially available software source 9.1-contour map. In this figure, the x-axis relates to Ni-excess (z) in the sample and the y-axis relates to Co / M 'content (mol / mol%) in the sample. Samples having a volume decline of less than about 20 mole% have compositions with improved cycle life. Certain optimal Co compositions are observed. Better cycle stability is observed at about 20 mol / mol% Co / M 'with increasing Ni-excess.
なお、図5a、5b(図5aの上部左側角部の分解図)及び6は、「試験方法2」により測定された実施例の勾配を示す。図5a及び5bでは、x−軸はサイクル数を所与し、また左及び右のy−軸はそれぞれ放電容量及び実際のカットオフ充電電圧に関する。これらの図では、「試験方法2」における次式に従って、勾配値(mV/サイクル)を計算した。例えば、EX1.1はサイクル14にて4.6317Vを有し、かつそのサイクル数(N)は4.7Vに到達するまで23である。EX1.1のサイクル安定性は、以下の通り計算される勾配(S)により、測定される。 5a and 5b (an exploded view of the upper left corner of FIG. 5a) and 6 show the gradient of the example measured by “Test Method 2”. In FIGS. 5a and 5b, the x-axis gives the number of cycles and the left and right y-axes relate to the discharge capacity and the actual cut-off charge voltage, respectively. In these figures, the slope value (mV / cycle) was calculated according to the following equation in “Test Method 2”. For example, EX1.1 has 4.6317V at cycle 14 and its cycle number (N) is 23 until it reaches 4.7V. The cycle stability of EX1.1 is measured by the slope (S) calculated as follows:
なお、CEX3はサイクル14にて4.6045Vを有し、かつそのサイクル数は4.7Vに到達するまで19である。CEX3の勾配は以下のように計算される。 CEX3 has 4.6045V in cycle 14 and the number of cycles is 19 until it reaches 4.7V. The slope of CEX3 is calculated as follows:
図6では、勾配値(mV/サイクル)は、市販のソフトウェア源9.1−等高線図を使用して、異なる領域で次第に変化させることにより示される。本図では、x−軸はサンプルにおけるNi−超過(z)に関し、またy−軸はサンプルにおけるCo/M’含有量(モル/モル%)に関する。図にて示すように、約16mV未満の勾配を有するサンプルは、高度のサイクル安定性を伴う組成物を有する。Ni−超過が0.42未満でかつCoが0.18未満又は0.22を超えて勾配が高すぎる場合、Ni−超過が減少するので、勾配がより好ましくなくなることが観察される。 In FIG. 6, slope values (mV / cycle) are shown by gradually changing in different regions using a commercial software source 9.1-contour plot. In this figure, the x-axis relates to Ni-excess (z) in the sample and the y-axis relates to Co / M 'content (mol / mol%) in the sample. As shown in the figure, a sample having a slope of less than about 16 mV has a composition with a high degree of cycle stability. If the Ni-excess is less than 0.42 and the Co is less than 0.18 or greater than 0.22 and the gradient is too high, it is observed that the gradient is less favorable because the Ni-excess is reduced.
更に、図7は、「試験方法3」により測定された実施例の回復容量を示す。%でのR.Q.の値は、市販のソフトウェア源9.1−等高線図を使用して、異なる領域で次第に変化させることにより示される。本図では、x−軸はNi−超過(z)に関し、またy−軸はCo/M’含有量(モル/モル%)に関する。約70%を超える回復容量を有するサンプルは、高温にて良好な蓄電特性を有する組成物を有する。 Further, FIG. 7 shows the recovery capacity of the example measured by “Test Method 3”. % R.V. Q. The values of are shown by gradually changing in different regions using the commercially available software source 9.1-contour map. In this figure, the x-axis relates to Ni-excess (z) and the y-axis relates to the Co / M ′ content (mol / mol%). Samples with recovery capacities greater than about 70% have compositions that have good storage characteristics at high temperatures.
上記の全ての基準が本組成物により満たされるので、最適化された組成物の最良のものは、20モル/モル%のCo/M’含有量を有するz=0.45のサンプルであることが、図3〜7から推論することができる。 Since all the above criteria are met by the present composition, the best of the optimized composition is a sample of z = 0.45 with a Co / M ′ content of 20 mol / mol% Can be inferred from FIGS.
図8は、EX1.1、CEX4及びCEX5のDSCスペクトルを示す。本図では、x軸は温度(℃)に関し、またy軸は熱流(W/g)に関する。約180℃から開始して最大約250℃〜264℃に到達する主な発熱ピークは、酸素放出及び酸素によるその後の電解質の燃焼を伴う脱リチウム化カソードの構造変化からもたらされる。特に、NMCにおけるNi含有量が増大するので、主な発熱ピークの温度が持続的に低下し、かつ放出される発熱が持続的に増大するが、これは不十分な安全性を示している。Ni−超過(0.56)を伴うCEX5は、その他の実施例よりもより低い発熱ピーク温度及びより高い発熱反応エンタルピーを有する。これらのサンプルは、Ni−超過が増大するので、充電カソード材料の熱安定性が著しく低下することを示す。従って、増大した容量はサイクル安定性を低下させるだけでなく、安全性をも低下させる。従って、これらの実施例から、EX1.1は、高度の電池性能及び高い熱安定性を伴う最適化された組成物を有する。 FIG. 8 shows DSC spectra for EX1.1, CEX4 and CEX5. In this figure, the x-axis relates to temperature (° C.) and the y-axis relates to heat flow (W / g). The main exothermic peak starting at about 180 ° C. and reaching a maximum of about 250 ° C. to 264 ° C. results from structural changes in the delithiated cathode with oxygen release and subsequent electrolyte combustion with oxygen. In particular, as the Ni content in NMC increases, the temperature of the main exothermic peak continuously decreases, and the exotherm released increases continuously, indicating insufficient safety. CEX5 with Ni-excess (0.56) has a lower exothermic peak temperature and higher exothermic reaction enthalpy than the other examples. These samples show that the thermal stability of the charged cathode material is significantly reduced as the Ni-excess increases. Thus, increased capacity not only reduces cycle stability but also safety. Thus, from these examples, EX 1.1 has an optimized composition with a high degree of battery performance and high thermal stability.
実施例1のサンプルの電気化学的特性を更に確認するために、種々のLi/M’比率を有するNMCのサンプルは、「試験方法1」及び「炭素分析」により調査される。表5に記載されているように、CEX1などのLi/M’比率が高すぎる場合、混合遷移金属源とリチウム源との間の反応が終了せず、また未反応の溶融したリチウム源という結果をもたらす。従って、残留するリチウムは、最終NMC生成物中に大量の炭素の存在を引き起こし、かつ低い放電容量という結果をもたらす。 To further confirm the electrochemical properties of the sample of Example 1, NMC samples with various Li / M 'ratios are investigated by "Test Method 1" and "Carbon Analysis". As described in Table 5, if the Li / M ′ ratio, such as CEX1, is too high, the reaction between the mixed transition metal source and the lithium source does not finish and results in an unreacted molten lithium source Bring. Thus, the remaining lithium causes the presence of large amounts of carbon in the final NMC product and results in a low discharge capacity.
他方では、Li/M’比率が低すぎる場合、即ち0.95未満の場合、結晶構造内のリチウムの化学量論は所望のもの未満である。XRD回折データ(図示せず)は、Li/M’の結果としてより多くの遷移金属がリチウム部位上に位置し、これによりLiの拡散通路を遮断するという推論を可能にする。これは、不十分なサイクル寿命と同様に、より低い可逆容量を引き起こす。従って、0.95〜1.05のLi/M’を伴うEX1におけるサンプルは、高容量、良好なサイクル安定性及び高い熱安定性などの、高度の電気化学的性能を伴う特定の組成物を有する。 On the other hand, if the Li / M 'ratio is too low, i.e. less than 0.95, the stoichiometry of lithium in the crystal structure is less than desired. XRD diffraction data (not shown) allows the inference that more transition metals are located on the lithium site as a result of Li / M ', thereby blocking the Li diffusion path. This causes lower reversible capacity as well as insufficient cycle life. Thus, samples in EX1 with 0.95 to 1.05 Li / M ′ have specific compositions with high electrochemical performance, such as high capacity, good cycle stability and high thermal stability. Have.
EX2.1、CEX7.1、7.2及びCEX8を、工業生成物と適合するプロセスを使用した規模にて調製する。試験方法1によるコイン電池試験及び完全な充電池試験(図9を参照)の結果は、最適化されたNMC組成物の中でも最良である0.45のNi−超過に関する上記の推論が、工業生成物において依然として有効であることを示す。図9及び表5は、アルミニウムコーティングなどの表面改質技術により電気化学的性能が更に向上され得ることを示す電気化学的特性を、EX2.2及びEX2.3が有することを更に示す。 EX2.1, CEX7.1, 7.2 and CEX8 are prepared on a scale using a process compatible with industrial products. The results of the coin cell test and full rechargeable battery test (see FIG. 9) according to Test Method 1 show that the above inference regarding the Ni-excess of 0.45, which is the best among the optimized NMC compositions, It is still effective in the product. FIG. 9 and Table 5 further show that EX2.2 and EX2.3 have electrochemical properties that indicate that electrochemical performance can be further improved by surface modification techniques such as aluminum coating.
図10は、コイン電池試験方法1からの容量減退(1C/1C QFad.)と充電池サイクルの寿命との間の相関を示す。x−軸は、コイン電池試験方法1からの%/100サイクルにおける容量減退(1C/1C QFad.)であり、またy−軸は、80%の初期充電池放電容量でのサイクル数である。これは、コイン電池試験方法1からもたらされる結果が、実際の電池の電気化学的特性を表すことができる、ということを示している。 FIG. 10 shows the correlation between the capacity decline (1C / 1C QFad.) From coin cell test method 1 and the life of the rechargeable battery cycle. The x-axis is the capacity decline in% / 100 cycles from coin cell test method 1 (1C / 1C QFad.), and the y-axis is the number of cycles at 80% initial charge battery discharge capacity. This shows that the result from coin cell test method 1 can represent the electrochemical characteristics of the actual battery.
Claims (10)
Aが微量の添加不純物であり、−0.025≦a≦0.025、0.18≦x≦0.22、0.42≦z≦0.52、1.075<z/y<1.625、x+y+z=1及びk≦0.01である、正極材料。 For lithium ion batteries comprising a lithium transition metal based oxide powder having the general formula Li 1 + a ((Ni Z (Ni 0.5 Mn 0.5 ) y Co x ) 1-k A k ) 1-a O 2 A positive electrode material,
A is a small amount of added impurities, -0.025 ≦ a ≦ 0.025, 0.18 ≦ x ≦ 0.22, 0.42 ≦ z ≦ 0.52, 1.075 <z / y <1. 625, a positive electrode material with x + y + z = 1 and k ≦ 0.01.
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